粒子物理学基础
DESCRIPTION
粒子物理学基础. 王淦昌先生. 李文铸先生. 汪容先生. 王凎昌先生和汪容先生. 粒子物理学 物质的基本组成 物质间的基本相互作用 物质运动的基本规律. 二十世纪的主要成就. 相对论与时空观念 狭义相对论 , 高速运动粒子 广义相对论 , 引力理论，宇宙学 量子力学 波粒二象性 , 微观粒子 量子场论 描述物理世界的基本语言 标准模型 物质的基本组成和基本相互作用. 基本相互作用 引力相互作用 电磁相互作用 强相互作用 强大的核力维持原子核的稳定性 弱相互作用 导致基本粒子的不稳定 , 引起衰变. - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
粒子物理学基础
王淦昌先
王淦昌先
生生
李文铸先
生
汪容先
生
王凎昌先生和汪容先生
粒子物理学粒子物理学
物质的基本组成物质的基本组成物质间的基本相互作用物质间的基本相互作用物质运动的基本规律物质运动的基本规律
二十世纪的主要成就二十世纪的主要成就 相对论与时空观念 狭义相对论,高速运动粒子 广义相对论,引力理论，宇宙学 量子力学 波粒二象性,微观粒子 量子场论 描述物理世界的基本语言 标准模型 物质的基本组成和基本相互作用
基本相互作用基本相互作用引力相互作用引力相互作用
电磁相互作用电磁相互作用
强相互作用强相互作用
强大的核力维持原子核的稳定性强大的核力维持原子核的稳定性
弱相互作用弱相互作用
导致基本粒子的不稳定导致基本粒子的不稳定 ,, 引起衰变引起衰变
对称性决定相互作用对称性决定相互作用 电磁相互作用： U(1) 规范对称性 弱电相互作用： SU(2)U(1) 规范对称性 强相互作用： SU(3) 规范对称性 引力相互作用：局域 Lorentz 对称性
规范粒子质量 :对称性自发破缺 费米子质量 :Yukawa 耦合 一种参数化 ,新的物理
牛顿力学
时间，空间点粒子：位置，速度，加速度牛顿定律 惯性 作用与反作用
F ma
1 22
mmF k
r
一个伟大的发现：
tt
zz
yy
vtxx
'
'
'
'
相对性原理与 Galilean 变换
电动力学
电磁现象
00
000
B
E
t
EuJuB
t
BE
麦克斯韦方程
洛伦兹力e
F eE v Bc
2
2
2
2
2
1
'
'
'
1
'
cv
xcv
tt
zz
yycv
vtxx
相对性原理 ,洛伦兹变换
电磁波
光子 :质量为零 ,速度为c
2 2 2 2
2 2 2 2
2 2 2 2 2
2 2 2 2 2
10
10
E E E E
c t x y z
B B B B
c t x y z
狭义相对论
相对性原理
光速不变
Lorentz 变换与原时 :时空对称性
2 2 2d dt dx
dx dx
相对论动力学相对论动力学2
2
'
'
d xf m
d
dx f
f f
0 2
dpf
d
dxp mc
d
p E mc
量子力学量子力学波粒二象性
态的线性叠加原理
互补性原理
测不准原理
量子力学基本原理量子力学基本原理States of the systemRelation of commutationHermitian operatorsSchrodinger equationPrinciple of identityPrinciple of measurement
Schrodinger 方程
Heisenberg 矩阵力学
),(]2
[),( 22
trVm
trt
i
],[ HFFt
i
氢原子 22
42
2 n
eZE
)23( nEn谐振子
相对论量子力学Klein-Gordon 方程
电磁相互作用
负能量 ,负几率 ,精细结构不正确
2 22
2 2 2
1( , ) 0m x t
c t x
2 22
02
1( , ) 0ieA ieA m x t
c t x
Dirac 方程01
0mc
i ic t
电磁相互作用
00
10
mci ieA i ieAc t
正几率 ,电子的自旋 ,精细结构正确Klein 佯谬 ,负能量
反粒子 ,相对论的预言
高能微观系统的多粒子特性
量子场论的必然
基本相互作用基本相互作用原子核内，质子与质子之间有很强的库仑排斥力，那么是如何维持原子核的稳定性的呢？
要维持原子核的稳定性，核子间必定存在相互吸引的强大的核力：强作用力
作用范围要小，导致原子结构的不稳定引起原子核衰变，有轻子参与的相互作用──弱作用力
四种基本相互作用力四种基本相互作用力
对象 强度 范围 交换粒子
电磁力 带电粒子间 10-2 ∞ γ( 光子 )
引力 万物 10-40 ∞ G ( 引力子 )
强力 强子 1 10-15米 g ( 胶子 )
弱力 有轻子参与 10-5 10-18米 w±,z0
非直接、即时相互作用非直接、即时相互作用
量子场论量子场论
描述物理世界的基本语言量子力学狭义相对论
量子电动力学量子电动力学
Tomonaga
Schwinger
R. Feynman
Dyson
电子与光子构成简单系统1
( )4
L i ieA m F F
* 1( )( )
4L ieA ieA m F F
介子与光子构成简单系统
规范对称性与电磁相互作用规范对称性与电磁相互作用ie
ie
e
e
( )
( )
( )
( )
:
( )
:
ie x
ie x
ie x
e
e ie x
Define D ieA
A A x
Then D e D
FeynmanFeynman 规则规则4
2 4
4
4
4
2 2 4
4 4
4 4
2 4 4
(2 )
(2 )
(2 )
(2 ) ( )
( )(2 ) ( )
2 (2 ) ( )
g d kPhoton i
k i
i d kFermion
k m i
i d kBoson
k m i
Vertices i p p k
Vertices ie p p p p k
ie g p p k k
Lamb Lamb 效应效应
212P
212S
MHzEEExpt
MHzeVEETheo
PS
PS
)9(845.1057:
85.105721035152.4:
2121
2121
22
522
电子反常磁矩电子反常磁矩
13-13-
12-
13-4
13-3
13-2
13-SMe
13-exp
e
13-exp
e
10 11.5 : ErrorlTheoretica 10 0.5 k LoopsElectrowea
loops)k electrowea & (hadronic10 1.66(3) +
)10 -439.5( )1.5098(384 -
)10 148041.1(= 71.18123401+
)10 17723022.3- (= 4000.32847844 -
)10 6.81161409728(= 2=a
:2000) 351, RMP72,rTaylor,Theory(Moh
10 9(43)1159652187 =a 10 4(43)1159652188 a
987PRL59,26,1Dyck,Experiment
-
Compton Compton 散射散射
2 4 4
3 324 4
0 3 0 3,
2
(2 ) ( )
1 1( , ) ( , )
1 1(2 ) ( )
2 4 2 (2 ) 2 (2 )
1 1( , ) (
i f
cf i f f i i
f f f i i f i ii i i f
f ff f i i f i
i i f
f i f f f i i f ii i i f
S ie k p k p
u p u pp k m p k m
d k d pd k p k p
p k k p
e u p u pp k m p k m
22
2
2
, )
4 24
i
f f if i
i i f
k k kd
d m k k k
强相互作用与 夸克（ Quark ）模型
Gell-mann
Gross
Wilczek
世界到底由什么构成？世界到底由什么构成？
中国古代有元气说，和阴阳五行说 在古希腊有原子说即由一种不能再分的
最小基本单元“原子”构成 亚里士多德却认为物质是连续的。 正如中国《庄子、天下篇》所言“一尺
之棰，日取其半，万世不竭”
1919 世纪未的三大发现世纪未的三大发现1895年伦琴（ W.C.Röntgen ）发现 X 射线1896年贝克勒尔 (H.Becquerel) 发现放射性1897年汤姆逊 (J.J.Thomson) 发现电子他们三人也因此分别获得了 1901年、 1903年和 1906年的诺贝尔物理学奖。
电子的发现对物理学的影响非常深远物理学对象从宏观转入到了微观领域
原子的有核结构原子的有核结构
1911年汤姆逊的学生卢瑟福确立了原子的有核结构
1913年卢瑟福的学生丹麦物理学家玻尔建立了量子的原子结构模型
1919提出了原子核内存在中子的设想1932年查德威克确认了中子 n 的存在
物质的层次结构物质的层次结构
基本粒子的性质基本粒子的性质质子和中子的大小约为 1 个费米质子的质量为 938.3MeV ，中子为 939.6M
eV, 电子为 0.511MeV质子和中子称为重子 , 电子称为轻子质子的寿命长于亿亿亿亿年 , 自由中子的寿命却只有 877秒，中子会衰变成质子、电子和一个新粒子——反中微子 .
这是否预示着质子、中子内部还有结构？
众众多的新粒子多的新粒子 1931年狄拉克预言：存在着反电子1932年安德逊发现了正电子，并因此获得了 1936年的诺贝尔物理学奖
e e 2
• 1931年泡利预言中存在微子，不带电，质量为零
• 1935年汤川秀树预言 π 介子的存在， 1947年鲍威尔发现 π 介子
更多的粒子被发现更多的粒子被发现
介子： J=0 ， π± ， π0 ， ρ ， k± ， k0
重子 : J=1/2 ， p ， n ， Σ± ， Σ0 ， Ξ± ， Ξ0
， Λ且每种粒子都有反粒子，总数达数百种。然而混乱中存在秩序，类似于元素周期表，上述粒子也满足一定的规律，表明粒子内部还有结构
夸克（夸克（ QuarkQuark ）模型）模型 轻子 ( 电荷 ) 夸克 ( 电荷 )
ve
e
0
1
)(
)(
downd
upu
3/1
3/2
第一代
uv
0
1
)(
)(
charmc
stranges
3/2
3/1
0
1
)(
)(
topt
bottomb
3/2
3/1
第二代
第三
代
强子态强子态深度非弹性散射深度非弹性散射
量子色动力学量子色动力学（（ QCDQCD ））
渐近自由与夸克禁闭渐近自由与夸克禁闭
强子质量谱
弱电统一理论弱电统一理论
Glashow
S. Weinberg
Salam
T’ Hooft
Veltman
1896 年贝克勒尔 (H.Becquerel) 发现放射性
1931年 Pauli提出中微子1933年 Fermi 理论1956 年宇称不守恒（ Lee－ Yang－ Wu)1958 年 V－ A理论1963年 Cabibbo 理论1967 年 Weinberg 理论1971年’ t Hooft－ Veltman证明1972年 GIM 机制
弱相互作用与粒子的衰变
二十一世纪二十一世纪Higgs 粒子 ,弱电对称性破缺 ,费米子质量
强、弱、电三种相互作用的统一
超对称理论和超引力理论
量子引力理论
超弦理论
End of the Fifth Lecture