1、基本粒子天外来客 宇宙射线q 来自太阳和宇宙的高能量粒子q 来自各个方向q 当这些高能粒子与大气层的物质发生碰撞，会产生粒子的簇射.q 可以产生各种粒子q 其中有很不稳定的粒子，很快会衰变.q 寿命足够长的粒子可以到达地球表面并被探测到 !宇宙射线中的发现 1932 : 发现正电子! 1937 : 发现 muon 子，完全像一个大的电子 1947 : 发现Pion 子. 赵忠尧（1902年6月27日1998年5月28日） 密立根的学生，在研究硬射线的吸收中发现物质对射线的散射有一个非常接近电子质量的反常辐射。 这是射线与物质相互作用产生正负电子对，电子对湮灭产生的辐射。宇宙线中发现正电子(19
2、32)铅板正电子 通过研究铅板上下的轨迹的弯曲程度，可以推断: (a) 粒子向上运动. (b) 其电荷为正.这不是质子.云室照片大的曲率表明粒子速度较小一个质量和电子相同，带正电的粒子 正电子 !发现正电子的重要意义第一个反物质的证据 电子和正电子相遇，湮灭，产生辐射 Carl Andersonaward Nobelprize for thediscovery of thepositronCarl Anderson1905-1991物质 能量e+e-E=5 MeVe-e+%*&*E=5 MeVE=5 MeVE=5 MeVJ108.0eV 1J 1.6x10eV5x1013-196x= 1l =
3、 hc/ E = (6.6x10-34)(3x108) / 8.0 x10-13 = 2.5x10-13 m 的发现q 1937 由 J. C. Street 和 E. C. Stevenson 在云室中发现q 和电子的性质完全相同 除了其质量是电子的200余倍 寿命大约是 2x10-6 s = 2 ms (m e + n + n)q 能够从大气上层到达地面，相对论效应 !Discovery of the Pionq Bristol 大学的 Cecil Powell 及其同事利用泡室研究带电粒子的轨迹.q 1947年发现了p-介子 (p) .pPion 在此停止并衰变 p m + n + nm
4、两个中微子发出eMuon (m)在此停止并衰变: m e + n + n两个中微子发出Cecil Powell1903-19691950 NobelPrize winner太多的基本粒子由于不能控制宇宙线，科学家建造加速器加速粒子，使之碰撞，产生大量其他粒子.1950年代, 加速器产生了大量的粒子.很多这种粒子不稳定，很快衰变.1955年，发现反质子 ! 物质的基本结构?简单 复杂 简单q 1930年代, 世界是简单的q 质子，中子，电子. 构成原子 分子 DNA 人 !q宇宙简单而优雅 大量基本粒子的发现，基本粒子 “基本”吗？太多的基本粒子，太复杂? I. I. Rabis 在发现muon
5、时的名言：Who ordered that” ?1994 Nobel PrizeWinner in Physics“If I could remember the names of all these particles, Id be a botanist.”Enrico Fermi如果你不能记住所有的基本粒子， 请不要沮丧！基本粒子？ 介子八重态重子八重态重 子 十 重 态夸克（Quarks） ?FlavorQ/eu+2/3d-1/3s-1/31964年, Murray Gell-mann 和 George Zweig (分别独立) 提出了夸克的概念.MurrayGell-MannGeorg
6、eZweigThe name of the gameMurray Gell-Mann 正在阅读James Joyce 的Finnegans Wake 一书，书中有“three quarks for Muster Mark”这样一个短语. 他决定把更基本的粒子称为夸克 Gell-Mann 相信夸克吗?在夸克模型提出来的时候，这只是一个方便的，对基本粒子进行归类的工具.是一个可以对所有发现的基本粒子进行数学描述的方案分数电荷的粒子是难以接受的 ! Gell-Manns 1964 文章的择录文章的择录:“A search for stable quarks of charge 1/3 or +2/3
7、 and/or stable di-quarks of charge 2/3 or +1/3 or +4/3 at the highest energy accelerators would help to reassure us of the non-existence of real quarks”.散射实验Rutherfored, deBroglie, 告诉我们，为了得到物质的结构，我们应该用高能粒子（波， 或者 ）去轰击物质，然后观察所得结果.卢瑟福利用alpha粒子的大角度散射得到原子的有核模型.为了探测物质的某个尺度的信息，我们必须使用更短的波长l lAYES, this work
8、s !l lANO, this doesnt really work !Rutherford 实验 粒子的波长? ma= 6.7x10-27 kg, va= 1.6x107 m/s) l = h/p动量: p = mv = (6.7x10-27 kg)(1.6x107 m/s) = 1.0 x10-19 kg m/sl = h/p = 6.6x10-34 / 1x10-19 = 6.2x10-15 m核子的大小大致是 10 x10-15 , 这个波长能够告诉我们有一个硬核对物质更深层次的探索q 为了探索质子和中子的结构，我们需要比质子和中子尺寸更小的波长的粒子. l l = h/p, 需要高动
9、量的粒子 探测小尺度q 质子的尺度大约 1x10-15 m, q 1960年代，物理学家学会如何获得高能量的电子和质子(粒子加速器) q 理解 “在最基本的层次上，物质是什么？” 质子和中子是基本粒子吗? 1969, Stanford-MIT 协作组做电子和质子的碰撞实验e- + p e- + X大角度散射数大大超过假定质子中电荷均匀分布的结果.似乎质子有内部结构似乎质子有内部结构实验结果出人意料, 令人激动! (X = anything) 1969年以来, 做了大量关于质子和中子结构的实验.所有的实验都导致相同的结论： 质子和中子是由更小的粒子组成的。这些小的粒子与Gell-Mann 和 Z
10、weig 在 1964预言的夸克一致.(1.6 x 10-15 m)1x 10-18 m(at most)质子 2 “上上” 夸克 1 “下下” 夸克 中子 1 “上上” 夸克 2 “下下” 夸克有无“上”“下”之外的夸克?物质与夸克Fundamental particles夸克被认为是基本粒子.增加粒子的动量可以探测更深的层次. 目前的粒子能量 1 TeV = 1x1012 eV.对应的波长?l =hc/E = (6.6x10-34)(3x108) / 1.6x10-7 = 1.2x10-18m Jx106 . 1eV 1J1.6x10eV1x1071912如果夸克比这个尺寸大，我们可以探测
11、其大小。是质子的如果夸克比这个尺寸大，我们可以探测其大小。是质子的1/1000 ! 电子的大小似乎与此相同 夸克和电子被认为是基本粒子强力?把质子和中子约束在一起的力 ? Strong Force 强子和重子 参与强相互作用的粒子- 强子! 包含包含3个夸克的强子称为重子，如质子，中子等个夸克的强子称为重子，如质子，中子等 重子重子强子和夸克FlavorQ/eu+2/3d-1/3s-1/3其它重子usd L L0 重子 D D+ 重子?uuuFlavorQ/eu+2/3d-1/3s-1/3质子与中子“d” “u” udsCharge QMass+2/3-1/3-1/35 MeV/c210 Me
12、V/c2200 MeV/c2Quarkupdownstrangeuuddssuud质子质子Q = +1M=938 MeV/c2dud中子中子Q = 0M=940 MeV/c2sudLambda (L L)Q = 0M=1116 MeV/c2Lifetime2.6x10-10ssuuSigma (S S+ +)Q = +1M=1189 MeV/c2Lifetime0.8x10-10ssddSigma (S S )Q = -1M=1197 MeV/c2Lifetime1.5x10-10sudsCharge, QMass+2/3-1/3-1/3Quarkupdownstrangeuuddss5 Me
13、V/c210 MeV/c2200 MeV/c2 S- 是S+ 的反粒子吗?这些粒子已经观察到，寿命很短介子另一种强子 q 夸克和反夸克的束缚态. udcdQ=+1, p+Q= -1, D-sdQ= 0, K0M140 MeV/c2寿命2.6x10-8 sM1870 MeV/c2寿命1x10-12 sM500 MeV/c2寿命0.8x10-10 s三代夸克代IIIIII电荷 =-1/3d(下下)s(奇奇)b (底底)电荷 =+2/3u(上上)c (粲粲)t(顶顶)每个夸克有对应的反夸克.反夸克和夸克电荷相反质量增加 6 种夸克的发现 夸克夸克日期日期地点地点质量质量GeV/c2说明说明上上,下下
14、-0.005, 0.010强子特别是质子和中子的组分.奇奇1947-0.2宇宙线中发现粲粲1974SLAC/BNL1.5 在pp 和 e+e- 碰撞中发现（同时）.底底1977Fermi-lab4.5质子与核碰撞顶顶1995Fermi-lab175 pp 碰撞SLAC = Stanford Linear AcceleratorBNL = Brookhaven National Lab主要的高能物理实验室FermilabSLACKEKCERNDESYBNLCESRFermilab 加速器 (30 miles from Chicago)1.25 milesMain InjectorTevatron
15、实验区域Top Quark 1995 在这里发现.“典型的” 粒子探测器 6 ft典型的物理学家？!Dont ask me what theyre doing !强 子GenerationsIIIIIICharge = -1/3d(down)s(strange)b (bottom)Charge = +2/3u(up)c (charm)t(top)Top 夸克寿命太短，很难来得及形成强子3个夸克的重子： (5 x 5 x 5 = 125)2个夸克的介子: 5x5 = 25Particle Zoo夸克质量q 6 不同种类的夸克.q 普通物质由上下夸克构成，再构成原子，分子 . q 质量变化极大(从
16、 0.005 到 175 GeV/c2)q 重夸克不稳定，向轻夸克衰变Mass GeV/c2Gold atomSilver atomProton例： t b (10-23 s) b c (10-12 s) c s (10-12 s) su (10-7-10-10 s)反粒子 每个粒子有对应的反粒子!Quarks,uctdsbQ= +2/3Q= -1/3ParticleQ= -2/3Q= +1/3Anti-Particle,uctdsbAnti-Quarks夸克禁闭q 夸克禁闭于强子之中夸克禁闭于强子之中 q一种奇怪的力一种奇怪的力 qHadron JailProton质子和中子质子： 2/3
17、+ 2/3 + (-1/3) = +1 !中子中子: (-1/3) + (-1/3) + (2/3) = 0 !基本粒子家族GenerationsIIIIIICharge = -1/3d(down)s(strange)b (bottom)Charge = +2/3u(up)c (charm)t(top)+ 反夸克+反电子自然界真是这样自然界真是这样 ? e -Charge = -1Muons () 发现 (1937). 非常像电子，但质量大200余倍mem=0.51 MeV/c2m=106 MeV/c2中微子泡利在认为有一个没有探测到的粒子带走了动量，预言了中微子的存在(n ).Nobel L
18、aureate: Wolfgang Pauliq 如果中微子确实存在，应该看到下面的反应n n + p e+ + n1934: 中子衰变中丢失的动量 npeXn p + e - + X中微子的发现Detector: H2O w/Cadmium ChlorideFred Reines and Clyde Cowan, 1956光子探测器q 1956: 发现中微子，反应堆 (Nobel Prize)n n + p e+ + n轻 子q 电子， 和他们的中微子, 和夸克一样，表现为基本粒子，至今没有 发现他们有结构. q 和夸克很不一样. 整数电荷整数电荷(0 or 1). 不会结合成强子不会结合成
19、强子. 不参与强相互作用不参与强相互作用.q 电子电子, 和中微子属于新的一类粒子和中微子属于新的一类粒子轻子轻子 (Leptons)三 代 1975, 在斯坦福直线加速器上，发现了第三个轻子， ， 其质量是电子质量的3500 倍，倍， t t-轻子轻子. 2000, Fermi 国家加速器实验室首次发现t的伴随中微子的迹象 FamilyLeptonsQ = -1Q = 01e-n ne2 2m m n nm m3 3t t n nt t三代，与夸克一样三代，与夸克一样 !Q = +1e+m m+ +t t+ +Q = 0n nen nm mn nt tAnti-Leptoneemtmtnnn
20、electronmuon-minustau-minuselectron neutrinomuon neutrinotau neutrinoLepton (particle)tmnnntmee+positronmuon-plustau-pluselectron anti-neutrinomuon anti-neutrinotau anti-neutrinoAnti-lepton (anti-particle)基本粒子q 夸克和轻子是基本粒子夸克和轻子是基本粒子.q 上下夸克和电子构成了普通的物质.q 其它夸克和轻子在宇宙线和加速器中产生q 每个粒子对应有一个反粒子.物 质 和 力MatterLe
21、ptonsCharged NeutrinosForcesWeakEMStrongGravityHadronsBaryonsMesonsQuarksAnti-QuarksA Sense of Scale2x10-8m5x10-15 m1.5x10-15 m5x10-6m 2x10-9 mqe 100 GeV/c2HadronsMatterLeptonsBaryonsMesonsCharged NeutrinosForcesWeakEMStrongGravityQuarksAnti-Quarks原子 99.999% 是空的NucleusElectrong g.质子和中子 99.999% 空Protongudu物质的强度 ?力力 !
