基本粒子物理漫談第1頁，共58頁，2023年，2月20日，星期四第一部分：世界由什么組成？為什么世界上不同的物質(zhì)具有相同的特征？

因為世界上的物質(zhì)是由幾個基本的磚塊組成的

---簡單、沒有內(nèi)部結(jié)構(gòu)！從遠古時代，人類就開始這樣想。比如認為世界是由“水、火、土、氣”組成?！盎敬u塊”第2頁，共58頁，2023年，2月20日，星期四世界的基本磚塊？原子？今天人們知道“水、火、土、氣”并不“基本”，它們是由“原子”組成的。在1900年前后，人們認為“原子”是可穿透的球，內(nèi)部有一些電荷在跳動。第3頁，共58頁，2023年，2月20日，星期四“原子”是基本的嗎？人們很快就發(fā)現(xiàn)：可以根據(jù)其化學(xué)性質(zhì)把“原子”分類----〈元素周期表〉這表明“原子”有內(nèi)部結(jié)構(gòu)，是由更小的磚塊組成的。

第4頁，共58頁，2023年，2月20日，星期四

“原子”是由帶正電的、重而小的“原子核”和圍繞它的帶負電的“電子云”組成實驗表明：第5頁，共58頁，2023年，2月20日，星期四“原子核”是基本的嗎？“原子核”很小、很重、密度很大，曾被人們認為是基本的粒子。后來，人們發(fā)現(xiàn)“原子核”并不基本，是由帶正電的“質(zhì)子”和不帶電的“中子”組成。

第6頁，共58頁，2023年，2月20日，星期四“質(zhì)子”和“中子”是基本的嗎？

人們發(fā)現(xiàn)“質(zhì)子”和“中子”并不基本，是有更小的粒子---“夸克”組成?！翱淇恕?--目前沒有發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，是“基本”的粒子第7頁，共58頁，2023年，2月20日，星期四現(xiàn)代的“原子”圖像

注意：“原子”體積的99.999999999999%

是空的！第8頁，共58頁，2023年，2月20日，星期四“原子”的大小

第9頁，共58頁，2023年，2月20日，星期四眾多的“復(fù)合粒子”人們一直在尋找粒子，目前已發(fā)現(xiàn)200

多個粒子，這些粒子絕大多數(shù)是“復(fù)合粒子”。這些粒子的名稱“五花八門”。費米(EnricoFermi)對他的學(xué)生萊德曼(LeonLederman)說："Youngman,ifIcouldrememberthenamesoftheseparticles,Iwouldhavebeenabotanist!"第10頁，共58頁，2023年，2月20日，星期四標(biāo)準模型世界有什么組成？如何組成？

-----標(biāo)準模型

6種輕子

6種夸克

傳遞力的粒子第11頁，共58頁，2023年，2月20日，星期四世界由什么組成？世界上的一切物質(zhì)，從星系到山川河流，都是由“輕子”和“夸克”組成。第12頁，共58頁，2023年，2月20日，星期四“反物質(zhì)”（“反粒子”）對應(yīng)于每一種“物質(zhì)粒子”，存在其“反物質(zhì)粒子”，唯一區(qū)別是電荷反號?！傲Ｗ印迸c”反粒子”相遇時，會發(fā)生“湮yan滅”，變成能量。第13頁，共58頁，2023年，2月20日，星期四夸克

第14頁，共58頁，2023年，2月20日，星期四“夸克”名稱的由來1964年MurrayGell-Mann

和GeorgeZweig

建議用三個基本粒子的不同組合來解釋所發(fā)現(xiàn)的幾百個粒子。Gell-Mann把這三個粒子叫作“Quark”

不同種類的“夸克”稱作不同的“味道”第15頁，共58頁，2023年，2月20日，星期四

的“夸克”稱作“上”（up)

和“下”(down):

稱為“奇”(strange),它組成的粒子“K”粒子具有“奇怪”的長壽命稱作“璨”（Charm），1974年在斯坦福（SLAC)和布魯海文實驗室(BNL)發(fā)現(xiàn)

稱作“底”(bottom)，1977年在費米實驗室發(fā)現(xiàn)

稱作“頂”(top)，1995年在費米實驗室發(fā)現(xiàn).兩個最輕第三個第四個第五個第六個第16頁，共58頁，2023年，2月20日，星期四強子（重子、介子）正如群居的大象，夸克也群居，從不單獨存在，他們?nèi)壕铀纬傻膹?fù)合粒子叫“強子”雖然夸克帶有分數(shù)電荷，但強子的電荷是整數(shù)雖然夸克帶有顏色，但強子沒有顏色強子（Hadron）有兩類：重子（Baryon）介子（Meson）第17頁，共58頁，2023年，2月20日，星期四輕子（Lepton）

夸克總是群居而以束縛態(tài)形式存在；輕子則單個存在帶電輕子象貓科動物，易看到；而不帶電的輕子（中微子）象附著在這些動物身上的跳騷，難以看到第18頁，共58頁，2023年，2月20日，星期四帶電輕子的衰變→→→第19頁，共58頁，2023年，2月20日，星期四中微子

→

→→→第20頁，共58頁，2023年，2月20日，星期四中微子的特點不帶電荷、色荷，和物質(zhì)的作用非常弱；絕大多數(shù)可以穿過地球，而不和地球的物質(zhì)發(fā)生作用；可以在很多過程中產(chǎn)生，特別是粒子的衰變，(正是從粒子的衰變中推斷其存在）；由于在宇宙形成的初期中微子大量產(chǎn)生，并且它們和物質(zhì)的作用很弱，在今天的宇宙中有很多中微子，它們雖然很輕，但因為數(shù)眾多，所以對宇宙的質(zhì)量有不可忽視的貢獻，影響宇宙的膨脹。第21頁，共58頁，2023年，2月20日，星期四世界由什么組成？答案

第22頁，共58頁，2023年，2月20日，星期四第二部分：世界如何組成？世界由夸克和輕子組成。是什么把夸克和輕子組合成物質(zhì)？

四種作用！第23頁，共58頁，2023年，2月20日，星期四

物質(zhì)如何相互作用？物質(zhì)勿需接觸就發(fā)生相互作用：如太陽吸引地球、兩磁鐵的吸引或排斥物質(zhì)間通過力場發(fā)生相互作用通過交換攜帶力的粒子！第24頁，共58頁，2023年，2月20日，星期四電磁力電磁力引起“同種電荷相排斥，異種電荷相吸引”，日常生活中的很多力（如摩擦、磁力）都是由電磁力引起。電磁力的攜帶粒子是“光子”，不同能量的光子形成了電磁波譜，如X—射線、可見光和無線電波。光子沒有質(zhì)量，以光速傳播。第25頁，共58頁，2023年，2月20日，星期四殘余電磁力“原子”含有相同數(shù)目的“質(zhì)子”和“電子”是電中性的，它們?nèi)绾涡纬煞肿幽?？原來一個“原子”中的“電子”跟另外一個“原子”中的質(zhì)子還有作用，這種原子間“殘余電磁力”使不同的“原子”結(jié)合成“分子”。所以，正是“電子”和“質(zhì)子”帶有異號的電荷使得我們的世界得以形成！第26頁，共58頁，2023年，2月20日，星期四原子核如何形成？

“原子核”由“質(zhì)子”和“中子”組成，“質(zhì)子”帶正電而相互排斥，“中子”不帶電，為什么它們不因排斥而散開呢？

這個問題用電磁力無法回答!

第27頁，共58頁，2023年，2月20日，星期四強作用力夸克帶有“電荷”，還帶有“色荷”；帶“電荷”的粒子之間有“電磁作用”，帶“色荷”的粒子之間有“強作用”?！皬娮饔昧Α笔箍淇诵纬伞皬娮印薄皬娮饔昧Α钡臄y帶粒子叫“膠子”（“強作用”象“膠”一樣把夸克粘在一起?。?/p>

“強作用”與“電磁作用”不同，“膠子”本身帶有“色荷”，而“光子”本身不帶“電荷”；雖然“夸克”帶“色荷”，它們組成的“強子”都不帶“色荷”，是色中性的。第28頁，共58頁，2023年，2月20日，星期四色荷帶色荷的粒子（夸克、膠子）通過交換膠子發(fā)生強作用夸克發(fā)射或吸收膠子時改變自身所帶的色荷夸克帶色荷，反夸克帶反色荷，膠子帶一對“色荷-反色荷”

組成重子的三個夸克分別帶有“紅、綠、藍”色荷，所以是色中性的

組成介子的一對夸克和反夸克分別帶有色荷（如“紅”）和反色荷（如“反紅”），所以也是色中性的

色荷在作用過程中是守恒的第29頁，共58頁，2023年，2月20日，星期四夸克禁閉帶色的粒子不能單獨存在，夸克總是和別的夸克囚禁在一起而形成色中性的強子強子中的夸克瘋狂的交換膠子進行強作用，它們存在于由膠子組成的色場中：當(dāng)膠子場獲得足夠能量時，就會折斷成一對夸克-反夸克第30頁，共58頁，2023年，2月20日，星期四夸克禁閉未被嚴格證明！--StevenWeinberg第31頁，共58頁，2023年，2月20日，星期四夸克發(fā)射膠子

夸克發(fā)射或吸收膠子時，本身的色荷要改變，以保證色荷守恒。如帶有“紅”色荷的夸克發(fā)射了一個帶有“紅-反藍”的膠子后，自身的色荷變成了“藍”?！?2頁，共58頁，2023年，2月20日，星期四殘余的強作用：原子核的形成

雖然組成原子核的核子（質(zhì)子和中子）都是色中性的，它們之間有“殘余的強作用”，這種作用遠遠超過質(zhì)子之間的電磁斥力，原子核由此而形成。第33頁，共58頁，2023年，2月20日，星期四弱作用雖然有6種夸克和6種輕子，但我們周圍除了3種中微子單獨的存在著外，所有物質(zhì)都是由最輕的2種夸克(u,d)和1種最輕的帶電輕子（電子）組成，較重的夸克和帶電輕子呢?較重的夸克（s,c,b,t)和帶電輕子(,）在宇宙形成的初期就衰變掉了，衰變成了最輕的夸克和輕子。這些衰變（即味道的改變）都是通過弱作用進行的。

弱作用的攜帶粒子是W+,W-,Z

標(biāo)準模型把弱作用和電磁作用統(tǒng)一到了一個理論框架中。第34頁，共58頁，2023年，2月20日，星期四電磁作用和弱作用的統(tǒng)一

標(biāo)準模型把電磁和弱作用統(tǒng)一描述，稱為電弱理論

在非常小尺度(10-18

米）或非常大能標(biāo)(100GeV)

情況下，弱作用的強度和電磁作用的強度在同一水平。

隨著尺度的增加或能標(biāo)的降低，弱作用將遠遠弱于電磁作用。

弱作用的攜帶粒子是重達100GeV的粒子，是一種短距作用第35頁，共58頁，2023年，2月20日，星期四引力引力很是奇怪。雖然它是一種基本的力，標(biāo)準模型卻不能描述它。如何把它也統(tǒng)一進來是當(dāng)今物理學(xué)的一大難題。引力的攜帶粒子—引力子，至今未被發(fā)現(xiàn)。第36頁，共58頁，2023年，2月20日，星期四自然界基本作用力的總結(jié)第37頁，共58頁，2023年，2月20日，星期四量子力學(xué)原子和亞原子粒子的性質(zhì)與我們?nèi)粘Ｉ钪械奈矬w完全不一樣，它們不是跳動的小球，它們不僅具有粒子性，還具有波的性質(zhì)（波粒二象性），它們的運動規(guī)律用“量子力學(xué)”描述。

量子力學(xué)中物理量只能取分離的值：量子化。常見的量子數(shù)：電荷、色荷、味道、自旋

量子力學(xué)只能預(yù)言粒子在某一時刻出現(xiàn)在某處的幾率."Goddoesn'tplaydice!”(Einsteinwaswrong.)量子數(shù)：幾率：第38頁，共58頁，2023年，2月20日，星期四世界由什么組成？如何組成？--最后答案Wehaveansweredthequestions,"Whatistheworldmadeof?"and"Whatholdsittogether?“Theworldismadeof6quarksand6leptons.Everythingweseeisaconglomerationofquarksandleptons.Therearefourfundamentalforcesandthereare

forcecarrierparticlesassociatedwitheachforce第39頁，共58頁，2023年，2月20日，星期四第三部分：粒子的衰變和湮滅原子核的衰變：一個大原子核變成幾個小原子核基本粒子的衰變：一個基本粒子變成幾個較輕的基本粒子→→→→→→第40頁，共58頁，2023年，2月20日，星期四放射性的發(fā)現(xiàn)1800年代的晚期，德國物理學(xué)家WilhelmR?ntgen發(fā)現(xiàn)：當(dāng)電子束打到金屬片上時，會有奇怪的射線發(fā)出，他稱之為X-射線兩個月后，法國物理學(xué)家HenriBecquerel發(fā)現(xiàn)有些礦石（如鈾）會自然的放出射線。不穩(wěn)定的原子核衰變而放出射線—放射性第41頁，共58頁，2023年，2月20日，星期四射線的種類射線：氦（helium）核（2p,2n)射線：高速電子

射線：高能光子

射線可以被紙片擋住

射線可以被鋁片擋住

射線只能用鉛板來檔

第42頁，共58頁，2023年，2月20日，星期四衰變中的質(zhì)量虧損→238.0508

234.0436

4.0026

0.0046u的質(zhì)量虧損掉了，變成了能量！第43頁，共58頁，2023年，2月20日，星期四衰變中的“中介子”衰變第44頁，共58頁，2023年，2月20日，星期四正反粒子的湮滅(I)第45頁，共58頁，2023年，2月20日，星期四正反粒子的湮滅(II)第46頁，共58頁，2023年，2月20日，星期四物質(zhì)和反物質(zhì)相遇會彼此消滅。但是物理學(xué)家們一直難以解釋的是：既然在發(fā)生宇宙大撞擊的時候，很明顯正物質(zhì)和反物質(zhì)的量是相等的，那么我們由物質(zhì)構(gòu)成的宇宙，為什么又能夠存在到今天，而不是早早就灰飛煙滅了呢？第47頁，共58頁，2023年，2月20日，星期四第四部分：如何實驗研究粒子今天知道的粒子的絕大部分都是不穩(wěn)定的粒子，它們在宇宙形成的初期都曾經(jīng)存在過，但很快就衰變掉了，要研究粒子物理，就必須產(chǎn)生出這些粒子，并用探測器研究這些粒子的性質(zhì)。粒子產(chǎn)生的方法：宇宙線對撞機粒子探測的工具：探測器

第48頁，共58頁，2023年，2月2