基本粒子物理第1頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月第一部分：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?yàn)槭澜缟系奈镔|(zhì)是由幾個(gè)基本的磚塊組成的

---簡(jiǎn)單、沒有內(nèi)部結(jié)構(gòu)！從遠(yuǎn)古時(shí)代，人類就開始這樣想。比如認(rèn)為世界是由“水、火、土、氣”組成?！盎敬u塊”第2頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月世界的基本磚塊？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(rèn)為“原子”是可穿透的球，內(nèi)部有一些電荷在跳動(dòng)。第3頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月“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，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月

“原子”是由帶正電的、重而小的“原子核”和圍繞它的帶負(fù)電的“電子云”組成實(shí)驗(yàn)表明：第5頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月“原子核”是基本的嗎？“原子核”很小、很重、密度很大，曾被人們認(rèn)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，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月“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，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月現(xiàn)代的“原子”圖像

注意：“原子”體積的99.999999999999%

是空的！第8頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月“原子”的大小

第9頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月眾多的“復(fù)合粒子”人們一直在尋找粒子，目前已發(fā)現(xiàn)200

多個(gè)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(fèi)米(EnricoFermi)對(duì)他的學(xué)生萊德曼(LeonLederman)說："Youngman,ifIcouldrememberthenamesoftheseparticles,Iwouldhavebeenabotanist!"第10頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月標(biāo)準(zhǔn)模型世界有什么組成？如何組成？

-----標(biāo)準(zhǔn)模型

6種輕子

6種夸克

傳遞力的粒子第11頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月世界由什么組成？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，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月“反物質(zhì)”（“反粒子”）對(duì)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(hào)。“粒子”與”反粒子”相遇時(shí)，會(huì)發(fā)生“湮滅”，變成能量。第13頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月夸克

第14頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月“夸克”名稱的由來1964年MurrayGell-Mann

和GeorgeZweig

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

“Quark”一詞來自JamesJoyce

的小說“Finnegan’sWake”

不同種類的“夸克”稱作不同的“味道”第15頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月

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(zhǎng)壽命稱作“璨”（Charm），1974年在斯坦福（SLAC)和布魯海文實(shí)驗(yàn)室(BNL)發(fā)現(xiàn)

稱作“底”(bottom)，1977年在費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)

稱作“頂”(top)，1995年在費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn).兩個(gè)最輕第三個(gè)第四個(gè)第五個(gè)第六個(gè)第16頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月強(qiáng)子（重子、介子）正如群居的大象，夸克也群居，從不單獨(dú)存在，他們?nèi)壕铀纬傻膹?fù)合粒子叫“強(qiáng)子”雖然夸克帶有分?jǐn)?shù)電荷，但強(qiáng)子的電荷是整數(shù)雖然夸克帶有顏色，但強(qiáng)子沒有顏色強(qiáng)子（Hadron）有兩類：重子（Baryon）介子（Meson）第17頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月輕子（Lepton）

夸克總是群居而以束縛態(tài)形式存在；輕子則單個(gè)存在帶電輕子象貓科動(dòng)物，易看到；而不帶電的輕子（中微子）象附著在這些動(dòng)物身上的跳騷，難以看到第18頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月帶電輕子的衰變→→→第19頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月中微子

→

→→→第20頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月中微子的特點(diǎn)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?yàn)閿?shù)眾多，所以對(duì)宇宙的質(zhì)量有不可忽視的貢獻(xiàn)，影響宇宙的膨脹。第21頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月物質(zhì)的“代”第二、三代的費(fèi)米子衰變很快，我們周圍的物質(zhì)中沒有它們。為什么它們還存在呢？當(dāng)輕子被發(fā)現(xiàn)時(shí)，I.I.Rabi嘆道：“Whooderedthat?”第22頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月世界由什么組成？答案

第23頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月第二部分：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24頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月

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(chǎng)發(fā)生相互作用通過交換攜帶力的粒子！第25頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月電磁力電磁力引起“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26頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月殘余電磁力“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(gè)“原子”中的“電子”跟另外一個(gè)“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(hào)的電荷使得我們的世界得以形成！第27頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月原子核如何形成？

“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(gè)問題用電磁力無法回答!

第28頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月強(qiáng)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(qiáng)作用”?！皬?qiáng)作用力”使夸克形成“強(qiáng)子”“強(qiáng)作用力”的攜帶粒子叫“膠子”（“強(qiáng)作用”象“膠”一樣把夸克粘在一起！）

“強(qiáng)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(qiáng)子”都不帶“色荷”，是色中性的。第29頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月色荷帶色荷的粒子（夸克、膠子）通過交換膠子發(fā)生強(qiáng)作用夸克發(fā)射或吸收膠子時(shí)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(duì)“色荷-反色荷”

組成重子的三個(gè)夸克分別帶有“紅、綠、藍(lán)”色荷，所以是色中性的

組成介子的一對(duì)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30頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月夸克禁閉帶色的粒子不能單獨(dú)存在，夸克總是和別的夸克囚禁在一起而形成色中性的強(qiáng)子強(qiáng)子中的夸克瘋狂的交換膠子進(jìn)行強(qiáng)作用，它們存在于由膠子組成的色場(chǎng)中：當(dāng)膠子場(chǎng)獲得足夠能量時(shí)，就會(huì)折斷成一對(duì)夸克-反夸克第31頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月夸克禁閉未被嚴(yán)格證明！--StevenWeinberg第32頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月夸克發(fā)射膠子

夸克發(fā)射或吸收膠子時(shí)，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(gè)帶有“紅-反藍(lán)”的膠子后，自身的色荷變成了“藍(lán)”?！?3頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月殘余的強(qiáng)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(qiáng)作用”，這種作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過質(zhì)子之間的電磁斥力，原子核由此而形成。第34頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月弱作用雖然有6種夸克和6種輕子，但我們周圍除了3種中微子單獨(dú)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(jìn)行的。

弱作用的攜帶粒子是W+,W-,Z

標(biāo)準(zhǔn)模型把弱作用和電磁作用統(tǒng)一到了一個(gè)理論框架中。第35頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月電磁作用和弱作用的統(tǒng)一

標(biāo)準(zhǔn)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(qiáng)度和電磁作用的強(qiáng)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(yuǎn)遠(yuǎn)弱于電磁作用。

弱作用的攜帶粒子是重達(dá)100GeV的粒子，是一種短距作用第36頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月引力引力很是奇怪。雖然它是一種基本的力，標(biāo)準(zhǔn)模型卻不能描述它。如何把它也統(tǒng)一進(jìn)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37頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月自然界基本作用力的總結(jié)第38頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月量子力學(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(dòng)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(yùn)動(dòng)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(shí)刻出現(xiàn)在某處的幾率."Goddoesn'tplaydice!”(Einsteinwaswrong.)量子數(shù)：幾率：第39頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月世界由什么組成？如何組成？--最后答案Wehaveansweredthequestions,"Whatistheworldmadeof?"and"Whatholdsittogether?“Theworldismadeof6quarksand6leptons.Everythingweseeisaconglomerationofquarksandleptons.Therearefourfundamentalforcesandthereare

forcecarrierparticlesassociatedwitheachforce描述這些基本粒子的理論：標(biāo)準(zhǔn)模型第40頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月第三部分：粒子的衰變和湮滅原子核的衰變：一個(gè)大原子核變成幾個(gè)小原子核基本粒子的衰變：一個(gè)基本粒子變成幾個(gè)較輕的基本粒子→→→→→→第41頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月放射性的發(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(shí)，會(huì)有奇怪的射線發(fā)出，他稱之為X-射線兩個(gè)月后，法國物理學(xué)家HenriBecquerel發(fā)現(xiàn)有些礦石（如鈾）會(huì)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42頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月射線的種類射線：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43頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月鈾的衰變→→→→→一大塊鈾的衰變（半衰期）單個(gè)鈾的衰變（幾率）第44頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月鈾為什么會(huì)衰變？

殘余的強(qiáng)力把相互排斥的核子束縛在一起形成原子核微觀粒子只能以幾率的方式描述：量子力學(xué)核子團(tuán)（比如)逃逸出原子核的幾率很??；對(duì)大原子核（如鈾）這種幾率比較大。第45頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月衰變中的質(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46頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月衰變中的“中介子”衰變第47頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月正反粒子的湮滅(I)第48頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月正反粒子的湮滅(II)第49頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月第四部分：如何實(shí)驗(yàn)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?cè)谟钪嫘纬傻某跗诙荚?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(cè)器研究這些粒子的性質(zhì)。粒子產(chǎn)生的方法：宇宙線對(duì)撞機(jī)粒子探測(cè)的工具：探測(cè)器

第50頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月宇宙線第51頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月對(duì)撞機(jī)（加速器）直線加速回旋加速固定靶對(duì)撞機(jī)第52頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月當(dāng)今世界上的加速器Fermilab（費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室，美國）SLAC(斯坦福直線加速器中心，美國)BNL(布魯海文實(shí)驗(yàn)室，美國）CESR(康奈爾正負(fù)電子儲(chǔ)存環(huán)，美國）CERN(歐洲粒子物理實(shí)驗(yàn)室，瑞士)KEK（高能加速器研究機(jī)構(gòu)，日本）DESY(電子回旋加速器，德國）IHEP(高能物理所，中國）第53頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月粒子探測(cè)器第54頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月如何識(shí)別不同粒子第55頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月現(xiàn)代粒子物理實(shí)驗(yàn)的鼻祖:魯瑟夫?qū)嶒?yàn)Beam:粒子Target:金箔Detector:硫化鋅屏幕第56頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月一點(diǎn)歷史--StevenWeinberg第57頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月觀測(cè)世界的手段：總結(jié)第58頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月第五部分：理論未解之謎

標(biāo)準(zhǔn)模型取得了巨大成功，但它仍不是一個(gè)基本的理論，有一些理論問題無法解釋：

有關(guān)費(fèi)米子“代”和“味道”的問題

“大統(tǒng)一”和更小尺度的物理

“暗物資”和“暗能量”黑格斯粒子的本質(zhì)

水平方向的：

豎直方向的：

來自天上的：

來自地獄的：第59頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月“暗物質(zhì)”和”暗