浅谈现代粒子物理前沿问题——夸克-胶子等离子体
标准模型 基本粒子
标准模型基本粒子标准模型是物理学中描述基本粒子和它们之间相互作用的理论框架。
这个模型是在20世纪60年代由多位科学家共同发展起来的，经过多年的实验验证，已经成为现代粒子物理学的基石。
本文将介绍标准模型中的基本粒子，包括夸克、轻子、规范玻色子和希格斯玻色子。
夸克是构成核子的基本粒子，它们有六种不同的味道，分别为上夸克、下夸克、顶夸克、底夸克、粲夸克和奇夸克。
夸克具有电荷、质量和色荷，后者是一种与强相互作用相关的性质。
夸克之间通过交换规范玻色子来相互作用，这些规范玻色子被称为胶子。
夸克和胶子一起构成了强相互作用的理论基础，被称为量子色动力学（QCD）。
轻子是另一类基本粒子，包括电子、电子中微子、μ子、μ子中微子、τ子和τ子中微子。
轻子是没有内部结构的点粒子，它们具有电荷、质量和轻子数。
轻子之间通过交换规范玻色子来相互作用，这些规范玻色子被称为光子和Z玻色子。
光子是电磁相互作用的传播者，而Z玻色子介导了弱相互作用。
除了夸克和轻子，标准模型还包括了希格斯玻色子。
希格斯玻色子是标准模型的最后一个基本粒子，在2012年被欧洲核子研究中心（CERN）的大型强子对撞机（LHC）实验中发现。
希格斯玻色子的存在解释了其他基本粒子获得质量的机制，也被称为赋予粒子质量的“上帝粒子”。
标准模型中的基本粒子之间相互作用的方式由量子场论描述。
这个理论将基本粒子看作是场的激发态，不同种类的场对应不同的粒子。
相互作用通过场的相互作用项来描述，而这些相互作用项又通过拉氏量来确定。
标准模型的拉氏量包括了规范场、希格斯场和费米场的相互作用项，通过求解相应的运动方程，我们可以得到基本粒子的物理性质和相互作用方式。
总结一下，标准模型是描述基本粒子和它们之间相互作用的理论框架。
基本粒子包括夸克、轻子、规范玻色子和希格斯玻色子，它们通过交换规范玻色子来相互作用。
标准模型的建立和实验验证为我们理解微观世界提供了重要的工具，也为研究更深层次的物理学问题奠定了基础。
物理类导论：粒子与高能核物理
• …… ……
AGS
PHOBOS
RHIC
PHENIX STAR
BRAHMS
AGS
TANDEMS
Geneva LHC
SPS
HEHIC
六、实验可观测量及其新近结果
Projectile Begin collision
Compression Thermalization
14 12 10 8 6 4 2 0 -2 0 2 4 6 8 10
t (fm/c)
14 12 10 8 6 4 2 0 -2 0 2 4 6 8 10
t (fm/c)
n B (fm-3)
n B (fm-3)
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t (fm/c)
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n B (fm-3)
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• 1974年,美国劳伦兹伯克利国 家实验室(LBL), Bevalac, E=1～2 AGeV, T=50～80
推进科学技术发展的最基本动因是什么？？ 人的生存欲望； 人的繁衍欲望；
人的好奇、探索未知的欲望。
我们生存着的世界是什么？是怎么形成的？ 我们生存着的世界是由什么组成的？ 是否有最小的组元？最小的组元是什么？
汤姆逊 玻尔
为物理学研究
α
物质的微观结
夸克组合模型及其在重离子碰撞中的应用
奇 异 抑制 因子 是 产生 的 ｓ 克 数 与 ｕ或 ｄ 夸
中的应用
３ １ 相对论 重离 子 碰撞 Ｒ Ｃ 和 夸 克胶 子 等 离 子 ． ＨＩ
体 ＱＧＰ Ｑ Ｄ的色 禁 闭使 得 强 子 成 为 强 相互 作 用 下 唯 Ｃ
一
异夸克 数与非 奇异 夸 克 数 不 相等 ， 引 进 奇异 抑 制 故
ｇ 或 ， ｇ 则进 行第 三步．
计算 ． 另外 ， 与正 负 电子 碰撞 中取 一维 的快度 近关联
不同， 在重 离子碰撞 中我 们 要 把 夸 克组 合 律 从一 维 推广 到 三 维 ， 横 向 上 加 上 尸ｒ 等 或 相 近 的 条 在 相
件…．
３ 观 察第 三个 部 分子 的类 型 ． 果第 三 个部 分 、 如 子 的重子数 与第一 个 部 分子 的不 同 ， 一 个 部分 子 第 将 与第三个 形成介 子 并 从快 度 轴 中移 出 ， 回第 一 返
因子 入． 正负 电子湮 灭 中 ， 有净 夸 克 ， 在 没 所有 的夸
区应该 产生 Ｑ Ｐ 因此 相 对论 重 离子 碰 撞 反应 的过 Ｇ ， 程 即为 碰 撞—— 产 生 Ｑ Ｐ — Ｑ Ｐ膨 胀 冷 却— — Ｇ— Ｇ
强子 化．
由此谢去 病等 人 总 结 出夸 克 组合 律 Ｑ Ｒ 的基 Ｃ
本 步骤 （ 并且 可 以证 明 ， Ｃ Ｑ Ｒ可 以 唯一 确定 所 有 夸 克的组合 方式 ） ：
用． 个夸 克的快度 差别越 小 ， 之 间相互作 用 的 两 它们 时 间越 长 ， 因此 有足 够 的时 间使一个 成为 色单 态
并组成 一个介 子． 如果前两个 夸 克不是 ｑ 口而是 同型夸 克 ， 例如 一 个正 夸 克对 钾． 可 以处 在六 重态 或 反三 重 态． 钾 如
物质的形态
无固定的熔点，在熔化过程中温度逐渐升高 。
常见实例
玻璃、许多聚合物等。
结构
具有短程有序的结构。
液晶
定义 常见实例
特性 结构
液晶是指介于固态和液态之间的物质状态，其原子或分子在二 维平面上呈周期性排列，但在三维空间内无规则排列。 电视屏幕、显示器等。
具有各向异性，即在不同方向上具有不同的物理性质。
在化学领域，物质可以根据其 化学组成和性质分为有机物和
无机物。
物质的应用
物质在人类的生产和生活活动中扮演 着重要的角色。
物质可以用于制造各种器件，如电子 器件、光学器件、能源器件等。
物质可以用于制造各种材料，如金属 材料、非金属材料、高分子材料等。
物质可以用于制造各种药物，如抗生 素、抗病毒药物、抗肿瘤药物等。
物质的形态
汇报人：张老师 2023-11-24
目录
• 物质概述 • 固态物质 • 液态物质 • 气态物质 • 等离子体 • 夸克胶子等离子体
01
物质概述
物质的定义
物质是存在于宇宙中的客观实在 ，是具有可观测和可测量的属性 ，如质量、体积、温度、电磁场
等。
物质具有能量和动量，是能量和 动量的载体，满足守恒定律。
在这种极端条件下，夸克和胶子之间的相互作用非常强烈，导致它们被“解锁”并 自由运动，形成了类似于液体的状态。
夸克胶子等离子体具有极高的黏性和流动性，可以像液体一样运动和变形。
夸克胶子等离子体的分类
根据温度和密度等条件的不同 ，夸克胶子等离子体可以分为
不同的类型。
在极端高温和低密度条件下， 夸克和胶子的相互作用减弱， 它们可以以近似自由粒子的形 式运动，形成了所谓的“热涨
在粒子物理学中，夸克胶子等离子体是研究物质的基本结构和性质的 重要工具之一。
Search for a new state of matter – the Quark-Gluon Plasma一个物质–夸克胶子等离子体的新状态搜索 43
-- multi-parton dynamics (recombination or coalescence or …)
-- Hydrodynamics (constituent quarks ? parton dynamics from gluons to constituent quarks? )
Nucleus-Nucleus Collisions and Volcanic Eruption
Volcanic high pT -- Strombolian eruption
Volcanic mediate pT – Spatter (clumps)
6
Volcanic low pT – Bulk matter flows
Evidence for Multi-parton Dynamics in Hadronization of Bulk Partonic Matter at RHIC
Huan Zhong Huang (黄焕中) Department of Physics and Astronomy
University of California Los Angeles
Rafelski+Danos, Molnar+Voloshin …..) Quark Recombination – (R.J. Fries et al, R. Hwa et al)
13
Constituent Quark Scaling
Constituent (n) Quark Scaling -- Meson n=2 and Baryon n=3 grouping
p td d td p N y d 2 1 π p td dtd p N 1 y i 12ic vo s ψ R () i)1( 0
粒子探测绪论讲解
中国科大 汪晓莲
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Tevatron Collider
Fermilab Tevatron Collider
是目前世界上在运行的最高能量的对撞机 质子，反质子束流加速到900 GeV ，有两 个相互作用对撞点 (CDF and DØ)
95年发现 Top夸克
2019/5/30
中国科大 汪晓莲
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欧洲粒子物理研究中心
中国科大 汪晓莲
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Basic Concepts: Energy
2019/5/30
中国科大 汪晓莲
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Basic Concepts: Energy
2019/5/30
中国科大 汪晓莲
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electron
(energy U)
U= 1 eV = 1.6x10-19J
(speed at positive plate 18 000 km/s)
世界上第一台对撞加速器
1960年意大利科学家陶歇克(B.Touschek)首次提出并在意大利的Frascati国家实验室
20建19/成5/3了0 直径约1米的AdA对撞机，验证了中国原科大理汪，晓从莲 此开辟了加速器发展的新纪元。
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美国BNL 的3.3GeV Cosmotron
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2019/5/30
中国科大 汪晓莲
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建立夸克模型的关键实验:电子轰击质子(1972)
质子并不是一个几何点。它有大小，其半径10-13cm，电荷就分布在这
样一个小空间范围
e
质子内部分布着大量的点电荷
定量分析表明,质子是由三个夸克组成
e
1974年——丁肇中，B. Richter 发现 J/ 粒子
物理学基本粒子的分类与性质
物理学基本粒子的分类与性质物理学中，基本粒子是构成宇宙和物质的基本单位。
它们按照一定的分类体系被分为不同的类别，每个类别都具有独特的性质。
本文将介绍物理学中基本粒子的分类和性质。
一、强子和轻子根据基本粒子的质量和相互作用方式，可以将基本粒子分为两大类别：强子和轻子。
1. 强子强子是一类相对较重的基本粒子，它们受到强相互作用的影响。
强子包括质子、中子以及其他更加罕见的希奇粒子，如Λ子和Ω子。
质子和中子是构成原子核的基本组成部分，它们由夸克和胶子组成。
相比于轻子，强子有更大的质量和更强的相互作用力。
2. 轻子轻子是一类相对较轻的基本粒子，它们受到电磁相互作用和弱相互作用的影响。
轻子包括电子、中微子和它们的反粒子。
电子是最轻的带电粒子，它们参与了化学反应和电磁辐射现象。
中微子是几乎没有质量和几乎无法与其他物质相互作用的基本粒子。
二、夸克与胶子在强子中，夸克和胶子是构成质子和中子的基本粒子。
1. 夸克夸克是一类具有电荷、质量、颜色荷和自旋的基本粒子。
夸克分为六种不同的“味道”：上夸克（u）、下夸克（d）、粲夸克（c）、奇奇夸克（s）、顶夸克（t）和底夸克（b）。
夸克之间通过交换胶子进行相互作用，形成强子。
2. 胶子胶子是一类无质量、无电荷的基本粒子，通过强相互作用将夸克粘在一起。
胶子有8种不同的颜色荷，即红、绿、蓝以及它们的反荷。
胶子是保持夸克在核内稳定的力量之一。
三、电荷与自旋基本粒子还可以根据电荷和自旋的性质进行分类。
1. 电荷根据电荷，基本粒子可分为带电粒子和中性粒子。
带电粒子包括电子（-1单位电荷）和质子（+1单位电荷），它们参与了电磁相互作用和化学反应。
中性粒子包括中子和中微子，它们的电荷为零。
2. 自旋自旋是基本粒子的一个量子属性，类似于物体的自转。
根据自旋，粒子可以分为整数自旋粒子和半整数自旋粒子。
整数自旋粒子包括胶子和光子（自旋为1），它们是波动性较强的粒子。
半整数自旋粒子包括电子和中微子（自旋为1/2），它们是费米子，遵循了泡利不相容原理。
科技文阅读训练(Ⅱ)
科技文阅读训练（Ⅱ）一、宇宙诞生之初的物质形态总部设在瑞士日内瓦的欧洲核子研究中心宣布，参与该中心“重离子”的科学家首次获得“夸克—胶子等离子体”，从而证明在宇宙诞生之后的瞬间确实存在过这种物质形态。
现有宇宙理论认为，宇宙形成于距今约120亿至150亿年前的一次“大爆炸”。
宇宙“大爆炸”后的极短瞬间会形成超高温和超高能量密度，这使得一种称为“夸克—胶子等离子体”的物质能够在约10微秒(1微秒为百万分之一秒)的极短时间内充斥宇宙，然后再凝聚结合形成原子核等物质。
但迄今科学家们还难以对这一理论假设进行检验。
欧洲核子中心的最新研究成果使得科学家们能够验证“大爆炸”数微秒后的宇宙景象。
这项重大突破不仅使物理学的研究疆域拓展至接近宇宙诞生初始，而且对考察宇宙的起源、物质的本性以及对验证现有的粒子物理标准模型等都有重要意义。
近代物理学研究认为，原子的构造单元是质子和中子等亚原子粒子，而亚原子粒子又由夸克等更微观的基本粒子构成。
夸克间通过强力作用组合成质子和中子，而这种强作用力主要通过另一种名为胶子的基本粒子来传递。
通常情况下，夸克由于受到强作用力而被约束于原子核尺度内，自身无法独立存在。
但现有一些理论假设认为，足够大的能量和温度应该能拆解质子和中子，并使夸克和胶子重新结合形成所谓“夸克—胶子等离子体”。
“夸克—胶子等离子体”是与质子和中子不同的另一种新型物质形态。
为了拆除束缚夸克的强作用力，参加“重离子”计划的科学家利用铅离子互相撞击产生的超高能量进行实验。
通过对多年实验的数据进行综合分析，科学家最近终于发现，在铅离子的碰撞中有新的物质形态产生，其特征与理论预测的“夸克—胶子等离子体”的很多特征相符。
欧洲核子研究中心的公报指出，新成果证明了现有的一些对夸克间基本作用力的预测是正确的，同时也是在了解宇宙早期演化方面向前迈出的重要一步。
新成果是国际物理学界通力合作的产物，包括中国在内的20个国家的约500名科学家参与了“重离子”研究计划。
夸克与中微子、光子
夸克与中微子、光子夸克、中微子和光子是粒子物理学的三个重要概念，它们分别代表了物质的基本结构、基本相互作用和电磁辐射的基本粒子。
下面详细介绍这三种粒子的特性、相互作用和应用。
一、夸克1. 特性：夸克是组成物质的基本粒子之一，属于强子类。
夸克有六种类型：上（up）、下（down）、奇异（strange）、粲（charm）、底（bottom）和顶（top）。
夸克带有电荷，上夸克和下夸克的电荷为+2/3和-1/3，奇异夸克的电荷为-1/3，粲、底和顶夸克的电荷为+2/3。
夸克还带有质量，顶夸克质量最大，约为170 GeV/c²。
2. 相互作用：夸克之间通过强相互作用（由胶子传递）相互吸引，形成强子。
强相互作用是自然界四种基本相互作用中最强的一种，它负责维持原子核的稳定。
夸克不能直接被观测到，只能通过它们组成的强子（如质子和中子）来间接观测。
3. 应用：夸克的研究对于理解物质的基本结构、强相互作用的性质以及宇宙的演化具有重要意义。
在粒子物理学中，夸克模型是描述强子结构和性质的基本理论。
此外，夸克也是宇宙早期演化的关键因素，如大爆炸模型中，夸克通过强相互作用结合成更重的粒子，最终形成了宇宙中的物质结构。
二、中微子1. 特性：中微子是一种非常轻的基本粒子，属于轻子类。
中微子不带电，自旋为1/2，质量非常轻（小于电子的百万分之一）。
中微子有三种类型：电子中微子、缪子中微子和陶子中微子。
中微子与物质相互作用非常弱，主要通过弱相互作用与物质相互作用。
2. 相互作用：中微子与物质的主要相互作用是通过弱相互作用进行的，例如在核反应堆发电（核裂变）、太阳发光（核聚变）、天然放射性（贝塔衰变）等过程中，中微子与物质发生反应。
中微子的穿透力非常强，可以穿越地球直径那么厚的物质而几乎不衰减。
3. 应用：中微子的研究对于理解宇宙的演化、探索暗物质和暗能量等领域具有重要意义。
中微子在天体物理学中的应用包括研究恒星内部的核聚变过程、超新星爆发等。
量子色动力学和量子电动力学
量子色动力学和量子电动力学
量子色动力学和量子电动力学是现代物理学中的两个重要分支，它们分别研究强相互作用和电弱相互作用的基本规律。
量子色动力学是研究夸克和胶子相互作用的理论，是现代粒子物理学中的基础理论之一。
量子电动力学则是研究电磁相互作用的理论，是现代物理学的另一支重要理论。
量子色动力学和量子电动力学的基本思想都是基于量子场论的
框架，通过场的量子化来描述基本粒子的性质和相互作用。
量子色动力学中，夸克和胶子被描述为色荷载体，它们之间的相互作用通过交换胶子来实现。
量子电动力学中，电子和光子是基本粒子，它们之间的相互作用通过交换光子来实现。
量子色动力学和量子电动力学的理论框架都非常成功，它们可以很好地解释现象和预测实验结果。
例如，量子电动力学预测了电子的磁矩和精细结构常数，这些预测与实验非常吻合。
而量子色动力学则成功地描述了强子的结构和相互作用，例如夸克胶子等离子体的产生和夸克共振态的存在等。
总之，量子色动力学和量子电动力学是现代物理学中不可或缺的两个分支，它们的研究成果不仅推动了粒子物理学和高能物理学的发展，也为我们更深入地理解自然界的基本规律提供了重要的理论基础。
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