粒子物理学基础课件.ppt

1、粒子物理学基础粒子物理学基础李文铸先生汪容先生王凎昌先生和汪容先生相对论与时空观念 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 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Fm a122mmFkr 一个伟大的发现：ttzzyyvt

2、xx相对性原理与Galilean变换电动力学电磁现象00000BEtEuJuBtBE麦克斯韦方程洛伦兹力eFeEvBc2222211cvxcvttzzyycvvtxx相对性原理,洛伦兹变换电磁波光子:质量为零,速度为c2222222222222222221010EEEEctxyzBBBBctxyz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222ddtdxdx dx 22dxfmdd xfff02dpfddxpmcdpEmc波粒二象性态的线性叠加原理互补性原理测不准原理States of the systemRelation of commutationHermitia

3、n operatorsSchrodinger equationPrinciple of identityPrinciple of measurementSchrodinger方程Heisenberg矩阵力学),(2),(22trVmtrti,HFFti氢原子22422neZE)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2222221( , )0mx tctx222021( , )0ieAieAmx tctxDirac方程010mciict 电磁相互作用0010mciieAiieAct 正几率,电子的自旋,精细结构正确Klein 佯谬

4、,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l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？l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l作用范围要小，导致原子结构的不稳定l引起原子核衰变，有轻子参与的相互作用弱作用力 对象 强度 范围 交换粒子电磁力 带电粒子间 10-2 (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 l描述物理世界的基本语言l量子力学l狭义相对论TomonagaSchwingerR. FeynmanDys

5、on电子与光子构成简单系统1()4LiieAmFF *1()()4LieAieAmFF 介子与光子构成简单系统ieieee ( )( )( )( ):( ):iexiexiexeeiexDefine DieAAAxThen DeD 4244442244444244(2)(2)(2)(2)()()(2)()2(2)()gd kPhotonikiid kFermionkmiid kBosonkmiVerticesippkVerticesie ppppkiegppkk 212P212S MHzEEExptMHzeVEETheoPSPS)9(845.1057:85.105721035152. 4:21

6、2121212252213-13-12-13-413-313-213-SMe13-expe13-expe10 11.5 : ErrorlTheoretica 10 0.5 k LoopsElectrowealoops)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(Moh10 9(4

7、3)1159652187 =a 10 4(43)1159652188 a987PRL59,26,1Dyck,Experiment-244332440303,2(2 )()11(,)( ,)11(2 )()242 (2 ) 2(2 )11(,)(ifcfiffiifffiifiiiiifffffiifiiiffifffiifiiiifSiekpkpu pu ppkmpkmd kd pdkpkpp kkpe u pu ppkmpkm 2222,)424iffifiiifkkkddmkkk 强相互作用与 夸克（Quark）模型Gell-mannGrossWilczekl中国古代有元气说，和阴阳五行说

8、l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l亚里士多德却认为物质是连续的。l正如中国庄子、天下篇所言“一尺之棰，日取其半，万世不竭” l1895年伦琴（W.C.Rntgen）发现X射线l1896年贝克勒尔(H.Becquerel)发现放射性l1897年汤姆逊(J.J.Thomson)发现电子l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。l电子的发现对物理学的影响非常深远l物理学对象从宏观转入到了微观领域l1911年汤姆逊的学生卢瑟福确立了原子的有核结构l1913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l1919提出了原子核内存在

9、中子的设想l1932年查德威克确认了中子n的存在l质子和中子的大小约为1个费米l质 子 的 质 量 为 9 3 8 . 3 M e V ， 中 子 为939.6MeV, 电子为0.511MeVl质子和中子称为重子, 电子称为轻子l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.l这是否预示着质子、中子内部还有结构？l 1931年狄拉克预言：存在着反电子l1932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ee 2 1931年泡利预言中存在微子，不带电，质量为零 1935年汤川秀树预言介子的存在，1947年鲍威尔发现介子介子：

10、J=0， ， 0 ， k ， k0重子: J=1/2， p，n， ，0，0，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 轻子 (电荷) 夸克 (电荷) vee01)()(downdupu3/ 13/2第一代uv01)()(charmcstranges3/ 23/ 101)()(toptbottomb3 / 23 / 1第二代第三代强子质量谱GlashowS. WeinbergSalamT HooftVeltmanl1896年贝克勒尔(H.Becquerel)发现放射性l1931年Pauli提出中微子l1933年Fermi理论l1956年宇称不守恒（LeeYangWu)l1958年VA理论l1963年Cabibbo理论l1967年Weinberg理论l1971年t HooftVeltman证明l1972年GIM机制弱相互作用与粒子的衰变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