基本粒子物理漫谈 世界是由什么组成的 ？ 世界是如何组成的 ？ 杨 金 民

第一部分：世界由什么组成？ ---简单、没有内部结构！ “基本砖块” 为什么世界上不同的物质具有相同的特征？ 因为世界上的物质是由几个基本的砖块组成的 ---简单、没有内部结构！ 从远古时代，人类就开始 这样想。比如认为世界是 由“水、火、土、气”组成。 “基本砖块”

世界的基本砖块？原子 ？ 今天人们知道“水、火、土、气”并不“基本”，它们是由“原子”组成的。 在1900年前后，人们认为“原子”是可穿透的球，内部有一些电荷在跳动。

“原子”是基本的吗？ 人们很快就发现：可以根据其化学性质把“原子”分类----〈元素周期表〉 这表明“原子”有内部结构，是由更小的砖块组成的。

“原子”是由带正电的、重 而小的“原子核”和围绕它 的带负电的“电子云”组成 实验表明：

“原子核”是基本的吗？ “原子核”很小、很重、密度很大，曾被人们认为是基本的粒子。 后来，人们发现“原子核”并不基本，是由带正电的“质子”和不带电的“中子”组成。

“质子”和“中子”是基本的吗？ 人们发现“质子”和“中子”并不基本， 是有更小的粒子---“夸克” 组成。 “夸克”---目前没有发现其内部结构，是“基本”的 粒子

现代的“原子”图像 注意： “原子”体积的99.999999999999% 是空的 ！

“原子”的大小

众多的“复合粒子” 人们一直在寻找粒子，目前已发现200 多个粒子，这些粒子绝大多数是“复合 粒子”。 这些粒子的名称“五花八门”。 费米(Enrico Fermi) 对他的学生 莱德曼(Leon Lederman)说： "Young man, if I could remember the names of these particles, I would have been a botanist!"

标准模型 世界有什么组成？如何组成？ -----标准模型 6 种轻子 6 种夸克 传递力的粒子

世界由什么组成？ 世界上的一切物质，从星系到山川河流，都是由 “轻子” 和 “夸克” 组成。

“反物质”（“反粒子”） 对应于每一种“物质粒子”，存在其“反物质粒子”，唯一区别是 电荷反号。 “粒子”与”反粒子”相遇时，会发生“湮灭”， 变成能量。

夸克

“夸克”名称的由来 1964年 Murray Gell-Mann 和 George Zweig 建议用三个基本粒子的不同组合来解释所发现的几百个粒子。Gell-Mann 把这三个粒子叫作“Quark” “Quark” 一词来自 James Joyce 的小说 “Finnegan’s Wake” 不同种类的“夸克”称作不同的“味道”

两个最轻 的“夸克”称作 “上” （up) 和 “下” (down): 称为 “奇” (strange), 它组成的 粒子“K”粒子具有“奇怪”的长寿命 称作“璨”（Charm），1974年在斯坦福 （SLAC)和布鲁海文实验室(BNL)发现 称作“底”(bottom)，1977年在费米实验室发现 称作“顶”(top)，1995年在费米实验室发现. 第三个 第四个 第五个 第六个

强子（重子、介子） 正如群居的大象，夸克也群居，从不单独存在，他们群居所形成的复合粒子叫“强子” 虽然夸克带有分数电荷，但强子的电荷是整数 虽然夸克带有颜色，但强子没有颜色 强子（Hadron） 有两类： 重子（Baryon） 介子（Meson）

轻子（Lepton） 夸克总是群居而以束缚态形式存在；轻子则单个存在 带电轻子象猫科动物，易看到；而不带电的轻子（中 微子）象附着在这些动物身上的跳骚，难以看到

带电轻子的衰变 → → →

中微子 → → → →

中微子的特点 不带电荷、色荷，和物质的作用非常弱； 绝大多数可以穿过地球，而不和地球的物质发生作用； 可以在很多过程中产生，特别是粒子的衰变，(正是从粒子的衰变中推断其存在）； 由于在宇宙形成的初期中微子大量产生，并且它们和物质的作用很弱，在今天的宇宙中有很多中微子，它们虽然很轻，但因为数众多，所以对宇宙的质量有不可忽视的贡献，影响宇宙的膨胀。

物质的“代” 第二、三代的费米子衰变很快，我们周围的物质中没有它们。为什 么它们还存在呢？当轻子被发现时，I.I.Rabi 叹道：“Who odered that ?”

世界由什么组成？答案

第二部分：世界如何组成？ 世界由夸克和 轻子组成。 是什么把夸克 和轻子组合成 物质？  四种作用！

物质如何相互作用？ 物质勿需接触就发生相互作用：如太阳吸引地球、两磁铁的吸引或排斥 物质间通过力场发生相互作用通过交换携带力的粒子！

电磁力 电磁力引起“同种电荷相排斥，异种电荷相吸引”，日常生活中的很多力（如摩擦、磁力）都是由电磁力引起。 电磁力的携带粒子是“光子”，不同能量的光子形成了电磁波谱，如 X—射线、可见光和无线电波。 光子没有质量，以光速传播。

残余电磁力 “原子”含有相同数目的“质子”和“电子”是电中性的，它们如何形成分子呢？原来一个“原子”中的“电子”跟另外一个“原子”中的质子还有作用，这种原子间“残余电磁力”使不同的“原子”结合成“分子”。所以，正是“电子”和“质子”带有异号的电荷使得我们的世界得以形成 ！

原子核如何形成 ？ “原子核”由“质子”和“中子”组成，“质子”带正电而 相互排斥，“中子”不带电，为什么它们不因排斥 而散开 呢？ 这个问题用电磁力无法回答 !

强作用力 夸克带有“电荷” ，还带有“色荷”；带“电荷”的粒子之间有“电磁作用”，带“色荷”的粒子之间有“强作用”。 “强作用力”使夸克形成“强子” “强作用力”的携带粒子叫“胶子” （“强作用”象“胶”一样把夸克粘在一起！） “强作用”与“电磁作用”不同，“胶子”本身带有“色荷”，而“光子”本身不带“电荷”； 虽然“夸克”带“色荷”，它们组成的“强子”都不带“色荷”，是色中性的。

色荷 带色荷的粒子（夸克、胶子）通过交换胶子发生强作用 夸克发射或吸收胶子时改变自身所带的色荷 夸克带色荷，反夸克带反色荷 ，胶子带一对“色荷-反色荷” 组成重子的三个夸克分别带有“红、绿、蓝”色荷，所以是色中性的 组成介子的一对夸克和反夸克分别带有色荷（如“红”）和反色荷（如“反红”），所以也是色中性的 色荷在作用过程中是守恒的

夸克禁闭 带色的粒子不能单独存在，夸克总是 和别的夸克囚禁在一起而形成色中性 的强子 强子中的夸克疯狂的交换胶子进行强 作用，它们存在于由胶子组成的色场中： 当胶子场获得足够能量时，就会折断成一对夸克-反夸克

夸克禁闭未被严格证明！ --Steven Weinberg

夸克发射胶子 夸克发射或吸收胶子时，本身的色荷要改变，以保证色荷守恒。如带有“红”色荷的夸克发射了一个带有“红-反蓝”的胶子后，自身的色荷变成了“蓝”。 → → → →

残余的强作用：原子核的形成 虽然组成原子核的核子（质子和中子）都是色中性的，它们之间有“残余的强作用”，这种作用远远超过质子之间的电磁斥力，原子核由此而形成。

弱作用 虽然有6种夸克和6种轻子，但我们周围除了3种中微子单独的存在着外，所有物质都是由最轻的2种夸克(u,d)和1种最轻的带电轻子（电子）组成，较重的夸克和带电轻子呢? 较重的夸克（s,c,b,t)和带电轻子(,）在宇宙 形成的初期就衰变掉了，衰变成了最轻的夸克 和轻子。这些衰变（即味道的改变）都是通过 弱作用进行的。 弱作用的携带粒子是W+ ,W- ,Z 标准模型把弱作用和电磁作用 统一到了一个理论框架中。

电磁作用和弱作用的统一 标准模型把电磁和弱作用统一描述，称为电弱理论 在非常小尺度(10-18 米）或非常大能标(100 GeV) 情况下，弱作用的强度和电磁作用的强度在同一 水平。 随着尺度的增加或能标的降低，弱作用将远远弱于 电磁作用。 弱作用的携带粒子是重达100 GeV的粒子，是一种短 距作用

引力 引力很是奇怪。虽然它是一种基本的力，标准模型却不能描述它。如何把它也统一进来是当今物理学的一大难题。 引力的携带粒子—引力子，至今未被发现。

自然界基本作用力的总结

量子力学 原子和亚原子粒子的性质与我们日常生活中的物体完全不一样，它们不是跳动的小球，它们不仅具有粒子性，还具有波的性质 （波粒二象性），它们的运动规律用“量子力学”描述。 量子力学中物理量只能取分离的值：量子化。 常见的量子数：电荷、色荷、味道、自旋 量子力学 只能预言粒子在某 一时刻出现在某处 的几率 . "God doesn't play dice!” (Einstein was wrong.) 量子数： 几率：

描述这些基本粒子的理论：标准模型 世界由什么组成？如何组成？--最后答案 We have answered the questions, "What is the world made of?" and "What holds it together?“ The world is made of 6 quarks and 6 leptons. Everything we see is a conglomeration of quarks and leptons. There are four fundamental forces and there are force carrier particles associated with each force 描述这些基本粒子的理论：标准模型

第三部分：粒子的衰变和湮灭 → → → → → → 原子核的衰变：一个大原子核变成几个小原子核 基本粒子的衰变：一个基本粒子变成几个较轻的基本粒子 → → → → → →

放射性的发现 1800年代的晚期，德国物理学家Wilhelm Röntgen 发现：当电子束打到金属片上时，会有奇怪的射线发出，他称之为 X-射线 两个月后，法国物理学家Henri Becquerel 发现有些矿石（如铀）会自然的放出射线。不稳定的原子核衰变而放出射线—放射性

射线的种类  射线可以被铝片挡住  射线只能用铅板来档  射线：氦（helium）核（2p,2n)  射线：高速电子  射线： 高能光子  射线可以被纸片挡住  射线可以被铝片挡住  射线只能用铅板来档

铀的衰变 一大块铀的衰 变（半衰期） → → → → → 单个铀的衰变（几率）

铀为什么会衰变？ 残余的强力把相 互排 斥的 核子束缚在一起形成原子核 微观粒子只能以几率的方式描述：量子力学 核子团（比如)逃逸出原子核的几率很小； 对大原子核（如铀）这种几率比较大。

衰变中的质量亏损 4.0026  → 238.0508 234.0436  0.0046 u 的质量亏损掉了，变成了能量 ！

衰变中的“中介子” 衰变

正反粒子的湮灭(I)

正反粒子的湮灭(II)

第四部分：如何实验研究粒子 今天知道的粒子的绝大部分都是不稳定的粒子，它们在宇宙形成的初期都曾经存在过，但很快就衰变掉了，要研究粒子物理，就必须产生出这些粒子，并用探测器研究这些粒子的性质。 粒子产生的方法： 宇宙线 对撞机 粒子探测的工具： 探测器

宇宙线

对撞机（加速器） 直线加速 回旋加速 固定靶 对撞机

当今世界上的加速器 Fermilab （费米实验室，美国） SLAC (斯坦福直线加速器中心，美国) BNL (布鲁海文实验室，美国） CESR (康奈尔正负电子储存环，美国） CERN (欧洲粒子物理实验室，瑞士) KEK （高能加速器研究机构，日本） DESY (电子回旋加速器，德国） IHEP (高能物理所，中国）

粒子探测器

如何识别不同粒子

现代粒子物理实验的鼻祖:鲁瑟夫实验 Beam: 粒子 Target: 金箔 Detector: 硫化锌屏幕

一点历史 --Steven Weinberg

观测世界的手段：总结

第五部分：理论未解之谜 标准模型取得了巨大成功，但它仍不是一个基本的理论，有一些理论问题无法解释： 有关费米子“代”和“味道”的问题 “大统一”和更小尺度的物理 “暗物资”和“暗能量” 黑格斯粒子的本质 水平方向的： 竖直方向的： 来自天上的： 来自地狱的：

“暗物质”和”暗能量” 标准模型无法解释

费米子“代”和“味道”之谜 为什么恰好有三代 ？ 为什么有不同的质量? CP 破坏问题 ？ 物质和反物质不对称

物质和反物质不对称问题（宇宙形成）

宇宙形成

黑格斯粒子 标准模型中所有粒子的质量都来自于黑格斯机制；黑格斯粒子至今还未发现。 黑格斯粒子是基本粒子还是复合粒子？ 为什么黑格斯粒子的质量平方是负的 ？ V Re(H) Im(H)

大统一和更小尺度的物理 基本粒子物理的一个主要目标就是把各种作用力统一起来 ---大统一理论 爱因斯坦晚年致力于把电磁力和引力统一起来,但没有成功 至今，人们仍在探索大统一理论

通向新物理的拦路虎：等级问题 精细调节 ！！！ 100 GeV 电弱能标 ～1015 GeV 1 TeV 标准模型只能到此 mH2 = (m0 H)2 +CL2 ～100 GeV ～1015 GeV 1015 GeV(?) 新物理 短距离

新物理方向 I：超对称

新物理方向 II：额外维空间 G

统一引力：超弦理论

“统一” “统一”

最终理论：

谢谢 ！