粒子物理
粒子物理
超弦理论是人们抛弃了基本粒子是点粒子的假设而代之以 基本粒子是一维弦的假设而建立起来的自洽的理论,自然 界中的各种不同粒子都是一维弦的不同振动模式.与以往 量子场论和规范理论不同的是,超弦理论要求引力存在,也 要求规范原理和超对称.毫无疑问,将引力和其他由规范场 引起的相互作用力自然地统一起来是超弦理论最吸引人的 特点之一.因此,从1984年底开始,当人们认识到超弦理论 可以给出一个包容标准模型的统一理论之后,一大批才华 横溢的年轻人自然地投身到超弦理论的研究中去了. 经过人们的研究发现,在十维空间中,实际上有5种自洽的 超弦理论,它们分别是两个IIA和IIB,一个规范为 Apin(32)/Z2的杂化弦理论,一个规范群为E8×E8的杂化弦 理论和一个规范为SO(32)的I型弦理论.对一个统一理论来 说,5种可能性还是稍嫌多了一些.因此,过去一直有一些从 更一般的理论导出这些超弦理论的尝试,但直到1995年人 们才得到一个比较完美的关于这5种超弦理论统一的图像.
中微子的自旋方向 与运动方向相反； 反中微子的自旋方 向与运动方向一致。
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3.夸克 （1）夸克有六种 “味”：上夸克，下夸克；桀夸克，奇异夸克；顶夸 克，底夸克。每种又分“红”、“蓝”、“绿”三种色，连同其反粒子 共36种。 （2）强子：包括重子（质子，中子，超子）和介子，均由夸克组成。 例如：质子由2u+d组成，中子由u+2d组成… （3）夸克具有分数电荷 （4）迄今未发现自由夸克。人们认为是因为夸克间的强相互作用具有 “渐进自由”和“红外奴役”的特性：夸克间的关系类似于用链条连起 来的囚犯，当他们靠近时链条松弛，各自可认为是独立自由的；当距离 增大到一定限度时链条拉紧。而目前的条件无力破坏“链条”，所以看 不见自由的夸克。
物理学中的粒子物理
物理学中的粒子物理粒子物理学，也称高能物理学，是研究物质的基本构成和相互作用的学科。
它主要关注微观世界中的基本粒子以及它们之间的相互作用。
在物理学中，我们通过实验和理论模型来研究这些粒子以及它们在粒子加速器或天体物理实验中产生的现象。
1. 引言粒子物理学是一个非常广阔和复杂的学科，它涉及到许多领域，如量子力学、相对论、场论等。
从古代自然哲学的原子论到现代标准模型的建立，粒子物理学一直在不断发展和探索。
2. 粒子物理的历史在过去的几个世纪里，科学家们通过实验和理论的不断进展，逐渐揭示了物质的基本构成。
原子理论和量子力学的发展为粒子物理学奠定了基础。
随后，粒子物理学家发现了电子、质子、中子等基本粒子，并不断深入研究它们的性质。
20世纪中叶，随着加速器技术的进步，科学家们开始利用粒子加速器来产生更高能量的粒子碰撞。
这使得研究者们能够观察到更多的基本粒子，并揭示了更多有关它们之间相互作用的信息。
3. 粒子的分类根据标准模型，粒子可以分为两类：费米子和玻色子。
费米子具有半整数自旋，如电子、质子等。
玻色子具有整数自旋，如光子、强子等。
这些粒子通过相互作用，构成了丰富多样的物质世界。
根据粒子之间相互作用的方式，我们可以将它们分为四个基本相互作用：强相互作用、电磁相互作用、弱相互作用和引力相互作用。
这些相互作用决定了物质的性质和行为。
4. 标准模型标准模型是粒子物理学的核心理论，它成功地描述了基本粒子和它们之间相互作用的方式。
标准模型将粒子分为三代，每代包含两类费米子和玻色子。
通过这个模型，我们能够解释并预测各种粒子的性质和行为，例如电荷、质量等。
然而，尽管标准模型取得了巨大的成功，但它仍然存在一些问题，例如它无法解释引力相互作用，无法解释暗物质和暗能量等。
因此，科学家们继续进行研究和实验，希望能够发现更深层次的物理定律和新物理现象。
5. 粒子加速器和实验粒子加速器是粒子物理学研究的重要工具之一。
它能够加速粒子到极高的能量，使得它们可以进行高能碰撞实验。
粒子物理学
粒子物理学为本词条添加义项名粒子物理学，又称高能物理学，它是研究比原子核更深层次的微观世界中物质的结构、性质，和在很高能量下这些物质相互转化及其产生原因和规律的物理学分支。
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目录1学科简介2学科分类3理论分析4发展阶段5黑格斯粒子的实验证据6第四种和第五种夸克7轻子的新发现8电弱统一理论的建立9粒子物理的前景展开1学科简介2学科分类3理论分析4发展阶段4.1第一阶段（1897～1937）4.2第二阶段（1937～1964）4.3第三阶段（1964～）5黑格斯粒子的实验证据6第四种和第五种夸克7轻子的新发现8电弱统一理论的建立9粒子物理的前景粒子物理学1学科简介粒子物理学particle physics研究比原子核更深层次的微观世界中物质的结构、性质，和在很高能量下这些物质相互转化及其产生原因和规律的物理学分支。
又称高能物理学。
粒子物理学2学科分类粒子物理学专门研究组成物质和射线的基本粒子，以及它们之间的相互作用。
由于在大自然的一般条件下，许多基本粒子不存在或不单独出现，物理学家使用粒子加速器，试图复制粒子高能碰撞的机制，从而生产和侦测这些基本粒子，因此粒子物理学也被称为高能物理学。
标准模型可以正确地描述基本粒子之间的相互作用。
这模型能够计算12种已知的粒子（夸克和轻子），彼此之间以强力、弱力、电磁力或引力作用于对方。
这些粒子会互相交换规范玻色子（分别为胶子、光子、W 及Z 玻色子）。
标准模型还预测了希格斯玻色子的存在。
截至2010年，使用费米实验室的垓电子伏特加速器和欧洲核子研究组织的大型强子对撞机，实验者仍旧在努力地寻找希格斯玻色子的来踪去迹。
粒子物理学在实验上把已经发现的粒子分为两大类。
一类是不参与强相互作用的粒子，统称为轻子。
另一类是参与强相互作用的粒子统称为强子。
已经发现的数百种粒子中绝大部分是强子。
3理论分析实验发现，强子也具有内部结构。
物理学中的粒子物理学
物理学中的粒子物理学粒子物理学是物理学的一个重要分支，深入研究了物质的最基本组成单位——粒子。
通过研究粒子的性质和相互作用，粒子物理学揭示了世界的微观结构和自然规律。
本文将介绍粒子物理学的基本概念、发展历程以及其在科学研究和技术应用中的重要性。
一、粒子物理学的基本概念粒子物理学研究物质的微观结构和微观粒子之间的相互作用。
物质的基本组成单位是粒子，包括了原子核中的质子、中子以及电子等基本粒子。
通过研究这些基本粒子及其衍生粒子，粒子物理学试图理解宇宙的起源、构成和演化。
二、粒子物理学的历史粒子物理学的历史可以追溯到20世纪初，当时物理学家发现了原子的结构，并提出了量子力学理论。
随后，粒子物理学逐渐发展起来，研究领域不断扩展。
在20世纪中叶，粒子物理学的发展迈入了一个全新的阶段。
人们发现了更多的基本粒子，提出了强相互作用、弱相互作用和电磁相互作用等基本力和粒子的统一理论，即标准模型。
三、粒子物理学的实验方法粒子物理学使用大型实验装置进行研究，例如加速器和探测器。
在加速器中，粒子被加速到极高的能量，然后与其他粒子发生碰撞，通过观察碰撞产生的粒子及其性质，揭示更深层的物理规律。
而探测器则用于探测、测量和记录粒子的性质，其中包括位置、能量、动量等重要参数。
四、粒子物理学的研究内容粒子物理学的研究内容丰富多样，包括了基本粒子的发现、性质的测量、相互作用的研究以及理论的构建等。
其中，粒子物理学实验中的一个重大突破是发现了希格斯玻色子（Higgs boson），这个发现对于验证标准模型的正确性具有重要意义。
五、粒子物理学的应用粒子物理学不仅对于科学研究有重要意义，还在其他领域有广泛应用。
例如，核能技术的发展离不开粒子物理学的深入研究；医学影像学中的正电子发射计算机断层扫描（PET-CT）技术也依赖于粒子物理学的原理；此外，粒子物理学还对于新能源开发、材料科学等领域的发展具有重要推动作用。
六、粒子物理学面临的挑战和未来发展粒子物理学作为一门深入研究微观世界的学科，面临着诸多挑战。
粒子物理简介
粒子物理简介粒子物理，又称高能物理，是一门研究物质的基本构成和相互作用的科学领域。
它涉及到极小的微观世界，探索物质的最基本成分和它们之间的相互关系。
下面是对粒子物理的详细介绍：粒子物理的背景粒子物理的历史可以追溯到古希腊时代，但它在20世纪取得了巨大的发展。
20世纪初，物理学家提出了原子模型，认为原子是物质的基本构成单位。
然而，随着科学技术的进步，人们逐渐发现原子内部还包含了更小的粒子，如电子、质子和中子。
这些粒子被认为是物质的基本组成部分。
粒子物理的基本概念基本粒子：粒子物理的核心概念之一是基本粒子，也称为基本粒子或亚原子粒子。
这些粒子被认为是不可再分的，是构成物质的最小单位。
目前已知的基本粒子包括夸克、轻子（如电子和中微子）以及玻色子（如光子和希格斯玻色子）等。
相互作用：粒子之间存在各种相互作用力，例如电磁力、强相互作用力和弱相互作用力。
这些相互作用力决定了粒子如何相互影响和组合在一起形成物质。
能量和质量：粒子物理研究中经常涉及到能量和质量的转化。
爱因斯坦的质能方程（E=mc^2）表明，质量和能量之间存在着等价关系，粒子可以通过相互作用转化成不同的粒子或能量形式。
粒子物理的实验方法粒子物理研究通常需要高能实验和粒子加速器来进行。
粒子加速器可以将粒子加速到极高的能量，然后通过粒子碰撞实验来研究粒子的性质和相互作用。
这些实验通常需要庞大的设备和国际合作。
粒子物理的重要发现粒子物理的研究取得了许多重要的发现，其中一些包括：夸克模型：夸克是构成质子和中子等带电子的基本粒子。
夸克模型解释了这些复杂粒子的内部结构。
电弱统一理论：电磁力和弱相互作用力最初被认为是不同的力，但电弱统一理论表明它们在高能条件下是统一的。
希格斯玻色子的发现：希格斯玻色子是负责赋予粒子质量的粒子，其发现在2012年由欧洲核子研究中心（CERN）的大型强子对撞机（LHC）实验中获得了确认。
粒子物理的应用尽管粒子物理研究的对象非常微小，但它的应用却涵盖了广泛的领域。
粒子物理学的基础知识
粒子物理学的基础知识粒子物理学是研究物质的基本组成和相互作用的科学领域。
它探索微观世界中的基本粒子，揭示了宇宙的奥秘。
本文将介绍粒子物理学的基础知识，包括基本粒子、强、弱、电磁四种基本相互作用以及如何探测这些粒子等内容。
一、基本粒子粒子物理学将物质分解成最基本的构建单元——基本粒子。
基本粒子可以分为两类：夸克和轻子。
夸克是组成质子和中子的基本构建单元，而轻子则包括电子、中微子等。
二、基本相互作用粒子间的相互作用是粒子物理学的核心研究内容，包括强相互作用、弱相互作用和电磁相互作用。
它们分别由强子、玻色子和光子传递。
1. 强相互作用强相互作用是原子核稳定的基础，由胶子传递。
它是质子和中子的粘合力，使它们能够形成稳定的原子核。
2. 弱相互作用弱相互作用由W和Z玻色子传递，涉及粒子的衰变和转换。
弱相互作用是一种具有短程和低能量的相互作用，是粒子物理学的重要研究内容。
3. 电磁相互作用电磁相互作用由光子传递，是最为熟知的相互作用。
它负责电荷之间的相互吸引和斥力，使得原子能够稳定存在。
三、粒子探测粒子物理学靠粒子探测器来研究微观世界。
常见的粒子探测器包括加速器和探测仪器。
加速器能够将粒子加速到高能量，使其具有足够的动能穿透原子核；而探测仪器则用于检测和记录粒子束的性质和行为。
粒子物理学的实验室通常使用不同种类的探测器来观测粒子的相互作用和性质，例如泡利相机、气泡室、探测器阵列等。
这些探测器能够帮助科学家研究基本粒子的性质、质量、电荷和自旋等重要参数。
四、粒子物理学的重要发现粒子物理学在过去的几十年里取得了许多重要的发现。
其中最著名的莫过于发现了希格斯玻色子，这是实验证实了希格斯场的存在，也为粒子质量的起源提供了解答。
此外，粒子物理学研究还揭示了反物质、暗物质、暗能量等神秘物质的存在。
这些发现不仅改变了我们对宇宙的理解，也对科学技术和人类社会产生了深远影响。
结论粒子物理学作为科学研究的前沿领域，探索了物质构成的最基本层面。
第四节 粒子物理简介
2. 基本粒子的分类
• 按质量分为四类：
（1）重子类 这类粒子质量较大，包括核子和超子（因质量超
过核子，故称为超子）。 （2）轻子类
这类粒子质量较小，包括电子、介子、 介 子及
其相应的中微子。
（3）介子类
质量介于重子和轻子之间的粒子称为介子。包括
K介子、π 介子、 η介子。
（4）光子类 只有光子一种，其静止质量为零。
基本粒子的相互作用
（2）弱相互作用
弱相互作用范围在10-17m以下，通常也称短 程力。弱相互作用的强度比强相互作用弱得多， 作用时间慢得多。参与弱相互作用的粒子：一切 强子和轻子。
温伯格
格拉肖
萨拉姆
基本粒子的相互作用
（3）电磁相互作用
一切具有电荷或磁矩的全部粒子包括强 子和轻子都参与电磁相互作用。电磁相互作 用通过电磁场交换光子来实现。一些基本粒 子通过电磁相互作用发生衰变。电磁相互作 用的强度比强相互作用弱，电磁力的大小与 物体间距离的平方成反比。
1974年丁肇中等发现了J/ Ψ粒子，J/ 粒Ψ子
也是一种介子。
丁肇中
3. 基本粒子的相互作用
宇宙间的一切物质的相互作用归结为以下四种。
（1） 强相互作用
强相互作用是一种原子核结合在一起的力， 它的作用范围为10 m 15 以下，故称短程力；作用 时间极短，约为 1s0,这23 种相互作用强度大，比 电磁作用强得多，故称强作用。强相互作用只 存在于重子和介子之间。
§ 20-4 粒子物理简介
基本粒子：构成物质世界的基本单元。
例如：质子、中子、电子和它们的反粒子及 子、介子、K介子等。到目前为止， 已经发现了400多种基本粒子(包括共振 态粒子)。
1. 反粒子和奇异粒子
《粒子物理简介》 讲义
《粒子物理简介》讲义一、什么是粒子物理粒子物理，又称为高能物理，是研究构成物质世界的最基本粒子及其相互作用的科学。
在我们日常生活中所接触到的物质，都是由原子组成，而原子又由原子核和电子构成。
但深入到微观世界，原子核还可以再分成质子和中子，而质子和中子也并非不可分割，它们是由更小的粒子——夸克组成。
粒子物理的研究范围就是这些微观粒子的性质、结构、相互作用以及它们所遵循的规律。
通过对粒子物理的研究，我们能够更深入地理解宇宙的本质和物质的构成。
二、粒子物理的发展历程粒子物理的发展可以追溯到 20 世纪初。
当时，科学家们通过对放射性现象的研究，发现了原子核的存在，并逐渐认识到原子并非是不可分割的。
在 20 世纪 30 年代，科学家们发现了中子，这一发现为原子核结构的研究提供了重要的基础。
随后，人们开始利用加速器来产生高能粒子，并对它们进行碰撞实验，以探索微观世界的奥秘。
20 世纪 50 年代，随着加速器技术的不断发展，人们发现了更多的粒子。
为了对这些众多的粒子进行分类和理解，科学家们提出了粒子分类的“八重法”。
到了 20 世纪 60 年代，科学家们提出了夸克模型，认为质子和中子等强子是由夸克组成的。
这一理论极大地推动了粒子物理的发展。
进入 20 世纪 70 年代，标准模型逐渐建立起来。
标准模型成功地统一了电磁相互作用、弱相互作用和强相互作用，并预言了一系列新的粒子。
随着实验的不断验证，标准模型逐渐成为粒子物理的主流理论。
三、粒子的分类在粒子物理中，粒子可以分为两大类：费米子和玻色子。
费米子是构成物质的粒子，它们遵循泡利不相容原理，即不能处于相同的量子态。
费米子包括夸克和轻子。
夸克有六种“味”，分别是上夸克、下夸克、奇夸克、粲夸克、底夸克和顶夸克。
轻子也有六种，分别是电子、电子中微子、μ子、μ子中微子、τ子和τ子中微子。
玻色子则是传递相互作用的粒子。
电磁相互作用由光子传递，弱相互作用由 W 玻色子和 Z 玻色子传递，强相互作用由胶子传递。
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calc 2.79 -1.86 -0.58 2.68 0.82 -1.05 -1.40 -0.47
expt 2.793 -1.913 -0.61 2.33+0.13 -1.41+0.25 -1.25+0.01 -0.69+0.04
重子质量也不再是自然界基本常数！ 质量来自组分夸克质量与剩余相互作用 r r (hyperfine) S1 ⋅ S2 mB = m1 + m2 + m3 + C + L m1m2 3 equal masses,
部分解决了重子问题，但产生新问题:(已有8个 1/2+粒子,9个3/2+粒子) 预言了一个 J P = 3 + 新粒子？
2
如何处理 多余的 10* 和27 ？？？
预言一个新粒子！ B=1, I=0, S= -3, Q= -1 质量由同一多重态 粒子估算
m = a + bY
m∆ = 1232, mΣ* = 1385, mΞ = 1533
Continued
1965, Tomonaga, Schwinger, Feynman, field theory 1967, Bethe, energy production in stars 1969, Gellman, quark model 1974, Hewish, pulsars 1975, Bohr, Mottelson, collective model 1976, Richter, Ting, discovery of J/psi 1979, Glashow, Salam, Weinbery 1990, Friedman,Kendall, e-p DIS 1998, t’Hooft,Veltman, renormalization 2004, Gross, Politzer, Wilczek, asymptotic freedom --- quark confinement?
σ T (π p ) 由C − G系数， =3 − σ T (π p )
+
同位旋（味）破缺 Broken symmetries
主要表现为粒子质量与寿命不完全相同！ SU(2)是u,d夸克对称，破坏2--3% SU(3) SU(4) SU(5) SU(6) 同位旋破坏主要来自多重态不同分量质 量差印起的运动学效应
+
mesons ⇒ J PC = 0−+ ,1−−
PC
baryons ⇒ J
1 3 = , 2 2
+
Multiplets (figures)
Colored quark
与自旋统计规律的矛盾 颜色自由度 假定轨道角动量为零， 此时粒子能量最低 10重态波函数（omega)反对称（Pauli 原理）要求 引入色空间：每味夸克都有三色，重子是色SU(3)一 维表示（色空间完全反对称态）。
Ψ (octet ) = [Ψ12 ( spin ) Ψ12 ( flavor ) + Ψ23Ψ23 + L]
1 (udu − duu )(↑↓↑ − ↓↑↑) 2 11 1 p; = + (uud − udu)(↑↑↓ − ↑↓↑) 22 2 1 + (uud − duu )(↑↑↓ − ↓↑↑) 2
− − 0 + − − + + − − 0 + − − 0 + 0 −
π p → Ξ K K , Ξ → Λπ , K → π π
需要新量子数S：旧粒子(pi, N) S=0 强和EM过程中守恒，弱作用可破坏
SU(3)理论
坂田模型： 1。所有强子由p, n, Lamda和其反粒子组成 p, n, Lamda构成SU(3)三维基础表示 介子由一对正反基础重子组成
dense star N, delta, N*, pi, etc
∆
标准模型
(微扰论 ： 微扰论)： 微扰论
相对论性量子场论: 相对论性量子场论 SU(3) SU(2) U(1) 对于强、弱、电磁相 互作用的统一描述。 成功地描写了早到宇 宙最初（10－12秒起）， 小到10－19米（或高到 1012eV)各种物理现象。 白壁微瑕？(非微扰 非微扰) 非微扰
强子物理研究对象 与强子结构（谱）和 相互作用（跃迁）有关的物理问题 提出新(唯象)理论, 解释和指导实验 探索未知领域， 如N*，missing states
1. 2.
Related Nobel Prizes
1922,Bohr, the structure of atoms 1927,Compton, the Compton effect; Wilson, paths of charged particle 1932-33 Heisenberg,Schrodinger,Dirac 1935, Chadwick, neutron 1938, Fermi, new elements by slow neutron 1949, Yukawa, mesons on nuclear force 1957, Yang and Lee 1961, Hofstadter, electron scattering (sub nuclear physics) 1963, Wigner, symmetry in nucleus and Mayer and Jensen, shell model
核子磁矩（2.793，-1.913 是自然常数？） 磁矩来自组分夸克磁矩的矢量和
µ B = B ↑ ( µ1 + µ2 + µ3 ) z B ↑
其中 质子磁矩
eq h r µq = S mq c r
r
r
r
1 µ p = ( 4 µu − µ d ) 3
磁矩实验值 (ratio n/p=-2/3)
Experiment (BNL)
K − + p → K + + K 0 + Ω− Ω − → Ξ 0π − , Ξ 0 → Λπ 0 Λ → pπ − , π 0 → γ ( e + e − )γ ( e + e − )
Quark Model
Gell-Mann and Zweig （1964） 强子由深层次的粒子组成 介子(q-qbar)，重子(qqq) (next page) Note: 10* and 27 no longer appear！
Every naturally occurring particle is a color singlet!（自然选择？）
ψ ( color ) = ( rgb − rbg + gbr − grb + brg − bgr ) / 6
重子 qqq
A
= color
A
⊗ space, spin, flavor
夸克-反夸克禁闭 格点量子色动力学 （Lattice QCD）
自然界中没有自由的夸克， 自然界中没有自由的夸克， 它们总结合成强子（质子、 它们总结合成强子（质子、 中子、 介子， 介子等 介子等）， 中子、π介子，K介子等）， 这称为禁闭comfinement 这称为禁闭 静止夸克-反夸克之间有着很 静止夸克 反夸克之间有着很 强的禁闭势，在大尺度上， 强的禁闭势，在大尺度上， 随两者之间距离线性增加
同一种“粒子”的不同状态？(自旋,宇称相同) 推广同位旋概念 （破缺的）幺正对称性 粒子按不可约表示分类，每个粒子对应其一个分量
Baryon Summary
同位旋（isospin, flavor symmetries) Internal symmetries, conserved in all strong interactions 核子: J Q m(MeV/c^2) I_3 p ½ 1 938.27 ½ n ½ 0 939.56 -½ 在费米尺度，强作用比EM作用强2-3数量级， 其强作用性质相似。
“Direct” evidence of quarks
( e e → q q → hadrons )的几率 2 R= = 3∑ Q q ( e − e + → µ − µ + )的几率 q
− + −
实验巧妙地确定其质量,电荷及三种颜色
夸克禁闭与非微扰
本世纪最重要的物理学问题之一---李政道 由于真空对气泡的压力，夸克不可能出来。 而在气泡内部，夸克可自由运动(bag) 与超导的类比 完全抗磁体 真空是完全抗色介质？ 实验手段 1. 高能电子碰撞， 相对论重离子碰撞, 中子星等
高能电子散射
The evolving proton
夸克的色香味
核民主?
丰富多彩的粒子世界
对称性
六十年代初发现大量“基本”粒子(resonances), (见下页） 有没有联系? 更高的对称性? 如何分类？ Isospin（同位旋） 一种nucleon, pion, Sigma
N , Σ, Λ和Ξ
3 ⊗ 3* = 1 ⊕ 8 3 ⊗ 3 ⊗ 3 = 3 ⊗ ( 3* ⊕ 6 ) = 1 ⊕ 8 ⊕ 8 ⊕ 10
What is model?
模型就是奥地利的火车 时刻表。它经常晚点， 乘客问列车员：“你们 干吗还要时刻表？”列 车员回答：“有了时刻 表你才知道火车晚点 呀！” -Weisskopf（杨福家原 子物理书）