《粒子物理發(fā)展史話》PPT課件.ppt

1、粒子物理發(fā)展史話,鄭 志 鵬 中科院 高能物理研究所 2008.10,粒子物理，又稱高能物理，是研究物質(zhì)組成最小單元 基本粒子的性質(zhì)和其相互作用規(guī)律的一門學(xué)科。 經(jīng)過半個(gè)多世紀(jì)的努力，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)組成原子核的中子和質(zhì)子不是基本的， 物質(zhì)是由夸克組成的。 夸克與輕子組成基本粒子世界。,夸克有幾種 輕子 弱作用和電磁作用的統(tǒng)一以及W，Z0 的發(fā)現(xiàn) 宇稱是否守恒 量子色動(dòng)力學(xué)（QCD） 第一個(gè)反粒子 正電子的發(fā)現(xiàn) 粒子物理面臨的問題 結(jié)束語,提 綱,一 夸克有幾種？,60年代初，人們對強(qiáng)子排隊(duì)時(shí)，發(fā)現(xiàn)有某些規(guī)律，可排成 “八重態(tài)”， “十重態(tài)”。 Gellmann 用三種夸克可 很好解釋這種排列，以

2、 后事實(shí)證明他是正確的。 他獲得了1969年諾貝爾 物理學(xué)獎(jiǎng)。,一 夸克有幾種？,1974年，丁肇中和Richter發(fā)現(xiàn)了J/ 粒子，這是第四種夸克發(fā)現(xiàn)的證據(jù)。 為此，他們獲得了1976年諾貝爾物理獎(jiǎng)。,1977年，1995年， 分別發(fā)現(xiàn)了第五種 和第六種夸克。 迄今為止， 夸克共有六種。,一 夸克有幾種？,4. 實(shí)驗(yàn)上夸克存在的證據(jù) 20世紀(jì)70年代，J.I. Friedman , H.W.Kendall 和 R.E. Taylor三人在電子與質(zhì)子深度非彈實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)質(zhì)子內(nèi)部有 “硬心”，他們獲1990年諾貝爾物理獎(jiǎng)。,一 夸克有幾種？,二 輕子,電子 1897年，J.J.Thomson 發(fā)現(xiàn)由

3、電子組成 “陰極射線”，他測量了電子的荷質(zhì)比，獲得了1906年的諾貝爾物理獎(jiǎng)。 1936年尼德爾邁耶在云室中發(fā)現(xiàn), M.L.Perl 在美國 MarkII 上發(fā)現(xiàn)了 輕子。 1995年獲得諾貝爾物理獎(jiǎng)。 美籍華人蔡永賜在預(yù)言 輕子存在，計(jì)算其衰變分支比方面做出了突出貢獻(xiàn)。 輕子總共只有三種。,二 輕子,2. 中微子 1930年，在解釋“原子核的衰變的電子能量譜是連續(xù)的”這一事實(shí)時(shí)，物理學(xué)家泡利提出一假設(shè)：存在一個(gè)不帶電的粒子，稱為中微子。但由于它與物質(zhì)發(fā)生相互作用的可能性很小，因而極不容易探測，長期以來對它的存在始終是一個(gè)謎。 數(shù)十年后，人們終于探測到它，并且發(fā)現(xiàn)中微子有不同的類型（以上都獲得

4、諾貝爾物理獎(jiǎng)）。,二 輕子,F. Reines 在50年代通過反應(yīng) 找到中微子存在的證據(jù)， 獲得1995年諾貝爾物理獎(jiǎng),二 輕子,60年代，L.M. Lederman， M. Schwartz 和 J. Steinberger 通過實(shí)驗(yàn)證明： 中微子至少有兩種：e 和 他們共享了1988年諾貝爾物理獎(jiǎng),二 輕子,本世紀(jì)初，美國費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室找到第三種中微子存在的證據(jù)。 雷蒙德戴維斯（美）和 小柴昌?。ㄈ眨┮?yàn)榉?別探測來自太陽的中微 子和來自大氣、超新星 爆發(fā)的中微子獲得2002 年諾貝爾物理獎(jiǎng)。,二 輕子,中國物理學(xué)家王淦昌早在40年代提出用核反沖法測量中微子的方法。 三種中微子可以互相轉(zhuǎn)變，即

5、中微子有振蕩，因此導(dǎo)致中微子有質(zhì)量（雖然很?。?二 輕子,三代夸克 三代輕子,三. 弱作用和電磁作用的統(tǒng)一以及W，Z0 的發(fā)現(xiàn),1. 四種基本力,引力：牛頓受蘋果落地的啟示而發(fā)現(xiàn)萬有引力。 電磁力：指南針在地磁作用下的偏移。 弱力：中子及其它粒子衰變過程中出現(xiàn)。 強(qiáng)力：夸克之間的作用力。,2. 四種基本力之間的關(guān)系 這四種力之間可能是相互關(guān)聯(lián)的。 目前實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)弱力和電磁力是統(tǒng)一的。有跡象表 明，弱、電磁和強(qiáng)力是統(tǒng)一的。,三. 弱作用和電磁作用的統(tǒng)一以及W，Z0 的發(fā)現(xiàn),三. 弱作用和電磁作用的統(tǒng)一以及W，Z0 的發(fā)現(xiàn),3. 弱作用和電磁作用是統(tǒng)一的，理論上做出貢獻(xiàn)的 S.L. Glashow

6、，S. Weinberg 和 A. Salam 獲1979年諾貝爾物理獎(jiǎng),4. 弱電統(tǒng)一理論預(yù)言存在 W，Z0 中間玻色子。CERN 的 C. Rubbia 和 Van Der Meer 因發(fā)現(xiàn) W 和 Z0 而獲1984年諾貝爾物理獎(jiǎng)。,三 弱作用和電磁作用的統(tǒng)一以及W，Z0 的發(fā)現(xiàn),四 宇稱是否守恒？,李政道，楊振寧 1956年在解釋 - 是否同一粒子時(shí)提出宇稱（左右不同對稱性）不守恒，后被吳健雄的 衰變左右不對稱所證實(shí)。李、楊獲1957年諾貝爾物理獎(jiǎng)。,2. J.W. Cronin 和 V.L. Fitch 在 60年代發(fā)現(xiàn)中性 K 介子 CP （正、反粒子和空間聯(lián)合反演）不守恒，獲19

7、80年諾貝爾物理獎(jiǎng)。,四 宇稱是否守恒？,3. 日本 Belle 和美國 BaBar 2001發(fā)現(xiàn)中性 B 介 子也存在 CP 不守恒。,四 宇稱是否守恒？,世界平均值:,五 量子色動(dòng)力學(xué) （QCD）,Cross 等于 70年代提出描述強(qiáng)作用的理論 QCD，被實(shí)驗(yàn)證實(shí)，獲 2004年諾貝爾物理獎(jiǎng)。,六 第一個(gè)反粒子 正電子的發(fā)現(xiàn),1932年，C.D. Anderson 在云室中發(fā)現(xiàn)與電子質(zhì)量相同但電荷相反的粒子 正電子而獲1936年諾貝爾物理獎(jiǎng)。 很遺憾，我國物理學(xué)家趙忠堯卻失之交臂。趙在 30年代初首次觀察到正電子湮沒和產(chǎn)生現(xiàn)象，并對 Anderson 的實(shí)驗(yàn)有重大影響。,Higgs是否存在

8、？(期待LHC證實(shí)) 超對稱粒子（*注）是否存在？ 膠子球存在的證據(jù)，四夸克態(tài)、五夸克態(tài)、六夸克態(tài)和奇特態(tài)的尋找。 暗物質(zhì)的探測（可觀察物質(zhì)僅占4，23為暗物質(zhì)） 暗能量（占73）的理解和尋找 反物質(zhì)的尋找（AMS） CP破壞的本質(zhì)是什么？ 粒子為什么有質(zhì)量？（從1eV到176GeV） *注：超對稱粒子是指夸克、輕子自旋為整數(shù)，傳播子自旋為半整數(shù)。,七 粒子物理面臨的問題,七 粒子物理面臨的問題,9. 夸克、輕子是基本組元嗎？ 10. 夸克、輕子只有三代嗎？ 11. 中微子振蕩的存在說明中微子有質(zhì)量，在標(biāo)準(zhǔn)模型框架中不能解釋。 12. 夸克、膠子等離子體是否存在？（期待RHIC上發(fā)現(xiàn)） 13. 為什么宇宙中物質(zhì)反物質(zhì)是不對稱的？ 14. 弦與超對稱理論的發(fā)展和被實(shí)驗(yàn)的證實(shí) 15. 是否存在標(biāo)準(zhǔn)模型之外的模型？（標(biāo)準(zhǔn)模型遠(yuǎn)不能說完備，它有17個(gè)參數(shù)之多）,結(jié) 束 語,半個(gè)多世紀(jì)以來，粒子物理取得了舉世矚目的進(jìn)展。這是數(shù)以萬計(jì)的科學(xué)家，工程師共同奮