金立刚物质的结构：从原子到夸克.ppt

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1、1物质的结构：从原子到夸克物质的结构：从原子到夸克 高能物理学简介高能物理学简介金立刚金立刚南京师范大学物理科学与技术学院南京师范大学物理科学与技术学院主要内容主要内容n “基本基本”粒子的变迁粒子的变迁 n 四种基本相互作用四种基本相互作用n 高能理论方面的进展高能理论方面的进展n 高能实验技术方面的进展高能实验技术方面的进展2高能物理的研究对象高能物理的研究对象3高能物理高能物理 & 粒子物理粒子物理物质的基本组成是物质的基本组成是什么什么?在最基本的层次上在最基本的层次上存在什么样的相互存在什么样的相互作用作用?4“简单简单”是科学的一个重要特性是科学的一个重要特性 为什么世界上如此多的

2、事物符合相同的规律为什么世界上如此多的事物符合相同的规律? 物质世界是由一些物质世界是由一些“基本的基本的”“”“砖块砖块”构成的构成的. （这里（这里“基本的基本的”意味着无结构，不是由更小的物质组成意味着无结构，不是由更小的物质组成.） 古代中国（夏朝，公元前两千年）：金、木、水、火、土（五行）古代中国（夏朝，公元前两千年）：金、木、水、火、土（五行） 古希腊（公元前五世纪）：水、火、土和空气；原子学说古希腊（公元前五世纪）：水、火、土和空气；原子学说5什么是物质的最终组成呢？什么是物质的最终组成呢？ 二十世纪前，基本的粒子是原子二十世纪前，基本的粒子是原子（道尔顿（道尔顿1803，在原子

3、说基础上，克劳修斯、麦克斯韦，在原子说基础上，克劳修斯、麦克斯韦和玻耳兹曼等发展了统计物理学）和玻耳兹曼等发展了统计物理学）6空气分子引起的大气压强、风、热、声音等等空气分子引起的大气压强、风、热、声音等等7原子真是基本的吗原子真是基本的吗? 元素周期表（原子能分组并享有相似的化元素周期表（原子能分组并享有相似的化学特性）暗示：原子还有内在结构学特性）暗示：原子还有内在结构!8原子核（原子核（1911年）与电子（年）与电子（1897年）年）HeliumNeonThomson, 1906 Nobel Prize999.999999999999% 的原子空间是的原子空间是“空空”的的! 假设原子核

4、的尺寸为假设原子核的尺寸为1cm，那么整个原子的尺寸将超过，那么整个原子的尺寸将超过30个足球场的长度个足球场的长度!10光子将光子将 束缚在一起束缚在一起光子负责传递电光子负责传递电磁相互作用磁相互作用.（最终由量子电最终由量子电动力学解释动力学解释）原子核与电子之间原子核与电子之间的电磁相互作用的电磁相互作用通常被称为通常被称为“库库仑力仑力”!电磁相互作用中的电磁相互作用中的量子被称为量子被称为“光光子子”.Feynman, Schwinger, Tomonaga, 1965 Nobel Prize11原子如何构成稳定的分子原子如何构成稳定的分子? 原子是电中性的，那么是什么力量将它们粘

5、合成稳原子是电中性的，那么是什么力量将它们粘合成稳定的分子定的分子? 奇特的答案：剩余电磁相互作用将不同的原子束缚奇特的答案：剩余电磁相互作用将不同的原子束缚在一起在一起. 整个世界的稳定仅仅是因为整个世界的稳定仅仅是因为质子和电子的电荷符号相反质子和电子的电荷符号相反但电量相等但电量相等!12原子核是基本的吗原子核是基本的吗? 利用高能粒子作为利用高能粒子作为“探针探针”探测原子核内部探测原子核内部的结构，的结构，“探针探针”越细意味着能量越高越细意味着能量越高 原子核由质子原子核由质子 (p)和中子和中子(n)组成组成.质子质子 Rutherford 1911年年; 中子中子 Chadwi

6、ck 1932年年（ 1935 Nobel Prize ）根据量子力学的知识，粒子的德布罗意波长为根据量子力学的知识，粒子的德布罗意波长为mEp2/GeV1Em1021613核力将众多质子和中子束缚成原子核核力将众多质子和中子束缚成原子核 原子的稳定依赖于交换光子的电磁相互作用原子的稳定依赖于交换光子的电磁相互作用. 类似地，汤川秀树（类似地，汤川秀树（Yukawa）假定：原子核的稳定）假定：原子核的稳定依赖于交换依赖于交换Pion粒子的核力粒子的核力 （1935年）年）. Pion粒子在粒子在1947年被发现年被发现.Yukawa 1949 Nobel Prizep，np，np，np，n“灾

7、难灾难” 更多更多“基本基本”粒子的发现粒子的发现质子和中子是基本的吗质子和中子是基本的吗? 1964年，盖尔曼（年，盖尔曼（Gell-Mann）提出夸克模型）提出夸克模型 根据夸克模型，质子和中子各包含三个夸克根据夸克模型，质子和中子各包含三个夸克. 其它粒子（如其它粒子（如pion）也由夸克组成）也由夸克组成. (重子重子: (qqq) ,介子介子: (qq) ) Proton = ( u u d ) u = 上夸克（上夸克（up quark） Neutron = ( u d d ) d = 下夸克（下夸克（down quark） Gell-Mann, 1969 Nobel Prize夸克

8、夸克 有三对夸克有三对夸克. 上夸克和下夸克组成质子和中子，上夸克和下夸克组成质子和中子，从而组成大量熟悉的物质从而组成大量熟悉的物质. 其它粒子可以通过高能亚原子碰其它粒子可以通过高能亚原子碰撞产生撞产生.1974 , Ting, Richer 发现发现charm夸克夸克. 1976 Nobel Prize1977, Lederman发现发现bottom夸克夸克. 1995, Fermilab发现发现top夸克夸克.胶子将夸克束缚成质子、中子等胶子将夸克束缚成质子、中子等夸克带夸克带“色色”，它，它们之间通过交换胶们之间通过交换胶子粘合在一起，这子粘合在一起，这被称为强相互作用被称为强相互作

9、用，现在由量子色动，现在由量子色动力学解释力学解释.Gross, Wilczek, Politzer, 1973Gross, Wilczek, Politzer, 2004 Nobel Prize1973 DESY(PETRA): 证实证实胶子存在胶子存在 在低能时，我们看在低能时，我们看不到自由的夸克不到自由的夸克（色紧闭理论）（色紧闭理论）Gross, Wilczek, Politzer, 2004 Nobel Prize1973 DESY(PETRA): 证实证实胶子存在胶子存在胶子将夸克束缚成质子、中子等胶子将夸克束缚成质子、中子等核力是剩余的强相互作用核力是剩余的强相互作用 与原子的

10、情形类似，尽管夸克带与原子的情形类似，尽管夸克带“色色”，但构成的质子和中，但构成的质子和中子不带子不带“色色”，因此距离较远（原子核以外）时，感受不到，因此距离较远（原子核以外）时，感受不到强相互作用，这种力不出现在我们日常的生活中强相互作用，这种力不出现在我们日常的生活中. 但在原子核内部，剩余的胶子强相互作用可以平衡质子之间但在原子核内部，剩余的胶子强相互作用可以平衡质子之间的电磁排斥力，形成稳定的原子核的电磁排斥力，形成稳定的原子核.到目前为止到目前为止, 我们知道我们知道小结小结:现代的原子模型现代的原子模型 由夸克构成的质子和中子形成原子核，由夸克构成的质子和中子形成原子核，电子在

11、周围永不停息的运动，其中需要电子在周围永不停息的运动，其中需要有光子和胶子参与的电磁和强相互作用有光子和胶子参与的电磁和强相互作用. 质子内部仍是一片质子内部仍是一片“空旷空旷” 超过超过99.9999999%质子内部空间是质子内部空间是“空空”的的! 质子的质量主要来自于这片空旷的空间质子的质量主要来自于这片空旷的空间. (uud)夸克仅贡献夸克仅贡献1.3%的质子质量的质子质量 98.7%的质子质量来源于夸克间的相互作用的质子质量来源于夸克间的相互作用 总能量包括动能和势能以及静止能量，根据总能量包括动能和势能以及静止能量，根据爱因斯坦的理论，质量和能量联系在一起爱因斯坦的理论，质量和能量

12、联系在一起E = M c2 “Emptiness” is not “void”.空空 非非 空空 反物质反物质 在上世纪二十年代，在上世纪二十年代，Dirac结合狭义相对论和量结合狭义相对论和量子力学后建立了一个关于电子的理论，它预言子力学后建立了一个关于电子的理论，它预言: 电子存在质量相等，电荷相反的反粒子，即正电子存在质量相等，电荷相反的反粒子，即正电子电子. 纯粹的能量只要足够，就可以产生一对正反粒纯粹的能量只要足够，就可以产生一对正反粒子子 当物质与反物质相遇时可以转化为纯粹的能量当物质与反物质相遇时可以转化为纯粹的能量! 在质子内部的在质子内部的“空旷空旷”区，随时随地都在发生区，

13、随时随地都在发生者正反粒子的产生与湮灭者正反粒子的产生与湮灭!e e（Anderson, 1936 Nobel Prize）Top夸克和反夸克和反Top夸克的发现夸克的发现Discovered in 1995 at Fermilab为什么现在物质远多于反物质？为什么现在物质远多于反物质？（未知）（未知）10,000,000,00110,000,000,000物质物质反物质反物质早期宇宙早期宇宙中子衰变与弱相互作用中子衰变与弱相互作用传播弱相互作用的传播弱相互作用的W粒子以及粒子以及Z粒子在粒子在1983年被发现年被发现 (Rubbia, van der Meer， 1984 Nobel Pri

14、ze)27太阳发光与弱相互作用太阳发光与弱相互作用n在太阳内部存在着重要反应在太阳内部存在着重要反应n这是交换这是交换 W 粒子的弱相互作用，反应强度有一个粒子的弱相互作用，反应强度有一个 (E/MW)4 的压低的压低 MW 是质子质量的是质子质量的 80 多倍多倍对于太阳，对于太阳，10-32导致太阳能持续发光几十亿年导致太阳能持续发光几十亿年 当当 MW 有有 5% 的改变，将导致太阳的寿命有两个的改变，将导致太阳的寿命有两个量级的改变量级的改变 22He44ep为什么弱相互作用会这么弱，为什么弱相互作用会这么弱，或者说为什么或者说为什么 W 会这么重会这么重?Neutrinos from

15、 the SunQuestion: How many neutrinos from the Sun are passing through your fingernail in one second?Answer: 40 billion! day and night since neutrinos can pass right through the Earth without interacting Photo of Sun taken underground using neutrinos(1956 Cowan, Reines，1995 Nobel Prize) predicted by

16、Pauli, 1933弱相互作用和宇称破坏弱相互作用和宇称破坏( Lee and Yang, Nobel prize 1957) 与射出的子弹一样，夸克、电子和中微子还会以与射出的子弹一样，夸克、电子和中微子还会以运动方向为轴作运动方向为轴作“自转自转”. 在有在有W粒子参与的弱相互作用中，夸克、电子和粒子参与的弱相互作用中，夸克、电子和中微子的中微子的“自转自转”与运动方向构成左手螺旋，而与运动方向构成左手螺旋，而不会有右手螺旋不会有右手螺旋 左右不对称或镜像不对称左右不对称或镜像不对称. 自然界目前只发现左手的中微子，而不存在右手自然界目前只发现左手的中微子，而不存在右手的中微子的中微子.

17、小结小结 物质的基本构成物质的基本构成. 和和 基本基本“砖块砖块”之间的相互作用之间的相互作用.31n 目前，我们认为是基本的粒子目前，我们认为是基本的粒子夸克夸克有分数电荷，且总是结合成复合粒子有分数电荷，且总是结合成复合粒子轻子轻子有整数电荷，能自由存在有整数电荷，能自由存在已知宇宙的稳定物质的组成已知宇宙的稳定物质的组成 上夸克上夸克, 下夸克和电子下夸克和电子. 第二、三代的夸克和轻子都是不稳定的第二、三代的夸克和轻子都是不稳定的. 1 万有引力万有引力3 弱相互作用弱相互作用2 电磁相互作用电磁相互作用4 强相互作用强相互作用NewtonFaraday目前，我们发现的四种基本相互作

18、用目前，我们发现的四种基本相互作用 35 经典力学n 宏观（宏观（原子尺度）原子尺度）n 低速（低速（光速）光速） 量子力学n 微观（原子尺度）微观（原子尺度）n 低速（低速（原子尺度）原子尺度）n 任意速度任意速度 量子场论n 任意尺度任意尺度n 任意速度任意速度量子电动力学量子电动力学量子色动力学等量子色动力学等对高能物理现象的理论描述对高能物理现象的理论描述自然界自然界“应该应该”是简洁、优雅的是简洁、优雅的 目前，理论粒子物理的一个重要目标是目前，理论粒子物理的一个重要目标是寻求寻求四种相互作用的统一描述四种相互作用的统一描述. 大统一理论大统一理论ocJ电现象电现象磁现象磁现象电磁理

19、论电磁理论光学现象光学现象三合一三合一ttDJHBE0BDJames Clerk Maxwell (1864)现代语言描述 电磁相互作用电磁相互作用 弱相互作用弱相互作用 电弱相互作用电弱相互作用电磁作用与弱作用的统一描述电磁作用与弱作用的统一描述Weinberg, Glashow, Salam, 1979 Nobel Prize；对称性破缺，对称性破缺，Nambu, 2008 Nobel Prizet Hooft, Veltman，1999 Nobel Prize 粒子物理中的标准模型粒子物理中的标准模型 电弱理论电弱理论 量子色动力学量子色动力学 标准模型标准模型. 描述已知基本粒子之间的

20、相互作用（不包括引力）描述已知基本粒子之间的相互作用（不包括引力）. 标准模型不是完美的，它不能回答标准模型不是完美的，它不能回答 为什么有三代的夸克和轻子存在为什么有三代的夸克和轻子存在. 质量的起源质量的起源 为什么宇宙中的反物质如此少为什么宇宙中的反物质如此少 为什么引力这么弱，如何实现四种相互作用的真正为什么引力这么弱，如何实现四种相互作用的真正统一统一 近期宇宙观测得到的惊人结论近期宇宙观测得到的惊人结论 CP 破坏问题破坏问题 (Cronin, Fitch, 1980 Nobel Prize; Kobayashi, Maskawa, 2008 Nobel Prize)42“黑暗的黑

21、暗的”宇宙宇宙近期宇宙学的观测数据揭示了我们宇宙的近期宇宙学的观测数据揭示了我们宇宙的构成构成各类星球与星系各类星球与星系(普通物质普通物质) 0.5%其它普通物质其它普通物质 3.5%暗物质暗物质 23% 暗能量暗能量 (充满宇宙空间充满宇宙空间) 73% 标准模型不能解释暗物质标准模型不能解释暗物质和暗能量和暗能量.高能物理中的实验手段高能物理中的实验手段 宇宙射线宇宙射线. 各类对撞机各类对撞机Hess, 1936 Nobel Prize4445高能（例如高能（例如 7 TeV ）质子的获得）质子的获得n 原则上很简单原则上很简单: 将将 7 万亿伏特万亿伏特 的电势加到质子上的电势加到

22、质子上n 很难达到且不安全（如此的电场足以撕裂原子）很难达到且不安全（如此的电场足以撕裂原子）500 kV1600 kV12(110)TeVeV46线性加速器原理线性加速器原理空腔内的电场方向不断变化空腔内的电场方向不断变化47线性加速器线性加速器n原则上只要建造得足够长，原则上只要建造得足够长，就能够获得想要的高能质子就能够获得想要的高能质子n但不现实，如果要达到但不现实，如果要达到7 TeV 需要需要240公里公里 耗费耗费 $750亿亿费米实验室的质子线性加速器费米实验室的质子线性加速器中国高能所BEPC总体简图 直线加速器直线加速器 200 米米储存环周长储存环周长 240 米米主要能

23、量区域主要能量区域 35 GeV主要研究对象主要研究对象 轻子和粲物理轻子和粲物理研究微扰和非微扰研究微扰和非微扰QCDQCD及及其过渡阶段性质其过渡阶段性质 2007年年 BEPCII 运行运行回旋加速器回旋加速器回旋加速器原理图回旋加速器原理图NSB2D1DON( Lawrence, Nobel prize 1939)Main Injector(new)TevatronDCDFChicago p sourceBoosterWrigley Field 质子、反质子对撞质子、反质子对撞 总能量总能量 eV 周长周长 6.28 km 1995年发现年发现 Top夸克夸克 2000年发现年发现 T

24、au中微子中微子费米实验室费米实验室Tevatron对撞机（美国）对撞机（美国）121.9610欧洲核子中心的欧洲核子中心的LHCn质子、质子对撞质子、质子对撞n总能量总能量 14 TeV，质子的速度质子的速度 0.999999991 cn周长周长 27 kmn2008年试运行年试运行52LHC探测探测 TeV 物理现象物理现象相当于大爆炸后相当于大爆炸后0.00000000001 s.1 GeV = 109 eV1 TeV = 1012 eV53强磁场与超导强磁场与超导n 需要磁场需要磁场 9 Tesla n 磁场由磁场由12000安培电流产生安培电流产生n 普通导线的直径需要普通导线的直径

25、需要35厘米，但仍产生大量焦耳热厘米，但仍产生大量焦耳热n 超导是最好的选择超导是最好的选择n 保持低温保持低温1.9K54探测器探测器 对撞机上的对撞机上的“观测者观测者”长长= 44m直径直径 = 22m质量质量 = 7000 tLHC上的上的ATLAS探测器探测器Higgs粒子粒子 和和 / 或者或者 各类新物理各类新物理p pHLHC的目标的目标谢谢谢谢!思考题思考题n 利用原子学说的知识分析大气压强、风、热、利用原子学说的知识分析大气压强、风、热、声音传播、蒸发、燃烧等现象声音传播、蒸发、燃烧等现象 n 根据量子物理的不确定原理说明电子不可能被根据量子物理的不确定原理说明电子不可能被束缚在原子核中束缚在原子核中n 描述一下如何由夸克和电子构成我们熟知的物描述一下如何由夸克和电子构成我们熟知的物质世界质世界n 感兴趣的可以关注一下感兴趣的可以关注一下LHC的状况和进展的状况和进展57