微观世界探索 高能物理研究所 杜东生 中科院高能所　杜东生.

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1 微观世界探索 高能物理研究所 杜东生 中科院高能所　杜东生

2 宏观世界有多大？今天用射电和光学望远镜人类已经可观测到130亿光年的距离（1光年等于光走1年的距离，约为10万亿公里）仍然没有看到宇宙的边。
微观世界到底有多小？用高能电子作探针我们今天已探测质子深至10-19厘米（千万万亿分之一厘米，德国 HERA ），仍然没有探到微观世界的“底”. 宏观世界有多大？今天用射电和光学望远镜人类已经可观测到130亿光年的距离（1光年等于光走1年的距离，约为10万亿公里）仍然没有看到宇宙的边。 宇宙不管往大和往小深入都没有尽头。我们先来看看小宇宙即微观世界到底是怎么回事。 下面这个简单的表可表示我们看到的东西： 中科院高能所　杜东生

3 现在我们逐层加以说明，看看我们已经发现了什麽。
原子　　原子核　　基本粒子　　夸克、轻子　　前子 … ? 超超高能物理 　超高能物理 高能物理 原子核物理 原子物理 现在我们逐层加以说明，看看我们已经发现了什麽。 中科院高能所　杜东生

4 Cornell大学用快速大型计算机计算分子化学结构。
(1) 原子的结构（已非常清楚）　 电子 原子核和电子 核 原子半径　Ratom ~ cm 核半径　　RNucl ~ 10-12cm 束缚能　　Ebin ~ ev « me ~ 0.5×106 ev Good Theory: 量子力学 非相对论量子力学 相对论量子力学 +微扰理论 (电磁作用 α ~ 1/137) +多体问题　 理论已完全清楚。问题是多体计算方法。 Cornell大学用快速大型计算机计算分子化学结构。 中科院高能所　杜东生

5 (2) 原子核的结构（已经非常清楚） 构成 由 核中单个核子的平均结合能 Proton和Neutron合称核子（N） 质子（p） 中子（n）
Ēbin/单个N  10MeV = 107 eV « mp  980MeV 量子力学原理仍然可用于原子核，但微扰理论不能用了。 s = g2/4π ≳ 1 核理论的预言能力受到了极大的限制。核理论不完整!　 Ebin/ Ebin ~ 106 ! 核子 电子 中科院高能所　杜东生

6 (3) “基本粒子”的结构（基本清楚） 问题：是不是这一百多种粒子都是“基本”的？
1947年前，我们只知道很少的“粒子”，如质子、中子、电子、μ子等，人们认为这些粒子就是构成物质的最小单元，称之为“基本粒子”。 此后，在宇宙线实验和粒子加速器实验中发现了大量的粒子： π，π0，K，K0 ，K0 ，Λ，，Ξ，Δ …约一百多种。 有的寿命很短，产生出来很快就蜕变成别的粒子。 问题：是不是这一百多种粒子都是“基本”的？ 　　　　　　对比门捷列夫周期表 1961年美国　Hofstadter 作了非常重要的实验： 用 400 MeV到 MeV 的电子轰击质子（氢气做靶） 中科院高能所　杜东生

7 (3) “基本粒子”的结构（基本清楚） （续）
(3) “基本粒子”的结构（基本清楚） （续） 400 MeV 相应的德布罗意波长为 　λ＝  310-13cm 相当于质子的大小 e- + 结果发现： 　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。 中子也有大小，半径10-13cm。中子虽然电荷为零， 但在10-13cm范围内电荷密度有正有负。 一百多种“基本”粒子，不可能都是最小单元， 质子、中子有内部结构，说明有更小的东西 基本粒子内部到底是甚麽东西呢？ 中科院高能所　杜东生

8 Stanford Linear Accelerator Center (SLAC)

9 (ⅰ) 夸克模型（Quark Model) (基本粒子结构的低能图象－价夸克） 介子由（qq）构成 重子由（qqq）构成
1964年 美国物理学家 Gell-mann 假定： 一百多种“基本粒子”只由三种夸克 u，d，s 及其反粒子u, d , s 构成 u，d，s 满足SU(3)对称，他们的电荷分别为质子电荷的 （2/3，-1/3， -1/3） 介子(π,κ,ρ…)、重子(p , n , Λ , ∑…) 都可由SU(3)来表示构造： 介子由（qq）构成 重子由（qqq）构成 中科院高能所　杜东生

10 质量公式预言 m- 1670 MeV 实验 m- 1672.45 0.29 MeV
s s K0(ds) K+(us) K*0 K*+  +(ud) + 0 0 -(u d)  I3 - I3  K-(su) K0(sd) K*- K*0 自旋为0 自旋为1 uu-dd 0 = 2 (sss) △0 △- △+ △++ 0 *- *+ (ddd) (udd) (uud) (uuu) (dds) (uds) (uus) *- *0 (uss) (dss) - s I3 n(udd) p(uud) -(dds) 0 (uds) 0 + (uus) -(dss) 0(uss) 质量公式预言 m- 1670 MeV 实验 m- 0.29 MeV 中科院高能所　杜东生

11 Brookhaven The bubble chamber picture of the first omega-minus. An incoming K- meson interacts with a proton in the liquid hydrogen of the bubble chamber and produces an omega-minus, a K° and a K+ meson which all decay into other particles. Neutral particles which produce no tracks in the chamber are shown by dashed lines. The presence and properties of the neutral particles are established by analysis of the tracks of their charged decay products and application of the laws of conservation of mass and energy.

12 夸克模型获诺贝尔奖 但事情并没有完！ 1974年——丁肇中，B.Richter 发现 J/Ψ (3.1GeV) 粒子
这个介子寿命出奇的长，→ charm夸克 (c) mc ~ 1.5GeV J/Ψ 由(　　)构成。 1977年——L.Lederman 发现  ( 9.5GeV ) 　　　　　　　　　　→ Beauty (Bottom) (b) mb ~ 5GeV (9.5)由(　　)构成 1994年——Fermilab. CDF组发现 Top 夸克 (t) mt ~ 176GeV 　　　　　　　t夸克一产生就立刻衰变，没有机会形成束缚态 cc bb 中科院高能所　杜东生

13 有“味道”和“颜色”的夸克 有充分的实验证据说明每种夸克还有三种不同的颜色，实际上夸克共有18种（ u , d , s , c , t , b ）×3，颜色只是一种量子数，并非真是通常的颜色。 Flvour (味) 六味 三色 Color(色)：每种夸克有三种不同的色 63=18种 中科院高能所　杜东生

14 （ii）部分子模型 ( Parton Model )
强子结构的高能图象： 低能下 质子、中子由3个夸克构成 1967年，SLAC 实验组 用高能电子轰击质子 Ee = 20GeV λ ~ 6 10-15cm 45GeV λ ~ 2.7 10-15cm 质子的直径 ~ 10-13cm ，这样高能电子可探测质子内部 测量发现：质子内有无数点电荷，且基本上是自由运动的 无数点粒子是激发出的 qq 对儿, 低能下的质子内 uud 三个夸克 称作“价”夸克，而激发出的正反夸克对儿 称作“海”夸克。 这样质子内部结构的低能图像（由三个价夸克组成）和高能 图像（由无数几乎自由运动的点电荷组成）就统一了。 “自由”意味着强作用力（核力）在能量升高时“变弱” 　→ “渐近自由”→量子色动力学(QCD)诞生。 深度非弹散射　获诺贝尔奖 中科院高能所　杜东生

15 从前面研究物质微观结构的历史可以看出， 研究“基本粒子”内部构造及其相互作用相互转化规律大约需要几百MeV → 几百GeV 甚至更高的能量 → 高能物理（粒子物理） 年IUPAP给粒子物理的定义是“研究物质基本组份的性质及其相互作用力的科学”。而今美国国家高能物理21世纪长远规划顾问组给高能物理下的定义是“The Science of Matter, Energy, Space and Time”后面将回过头来看这个新定义的深刻含义。 中科院高能所　杜东生

16 (4) 夸克和轻子 ( e , e ,  ,  ,  ,  ) ( u , d , s , c , t , b )
还有没有内部结构？ 西藏羊八井宇宙线实验 有迹象表明 夸克可能有内部结构 电子， 子还没发现有结构 实验上至今没有看到自由夸克，把质子、中子打碎后 的碎片仍然与质子一样大，理论上可以解释为什么看 不到自由夸克。 中科院高能所　杜东生

17 (5) 理论的发展 (ⅰ) 量子色动力学（QCD） 如何把核子的高能结构图象与低能图象统一起来？ SU(3)规范理论描述强作用力 渐近自由！
　　　　　　　Quantum Chromo Dynamics 如何把核子的高能结构图象与低能图象统一起来？ 1974：Polizer Gross Wilzeck 提出QCD SU(3)规范理论描述强作用力 s(q2) = →0 q2→∞ 渐近自由！ QCD取得巨大成功，迄今为止，所有实验与理论一致。 中科院高能所　杜东生

18 近年来，由于计算机和计算技术的发展，格点计算的精度大幅度提高，有些物理量如强子谱等计算的误差可小于百分之几。
微扰QCD 非微扰QCD：QCD求和规则 Lattice QCD 近年来，由于计算机和计算技术的发展，格点计算的精度大幅度提高，有些物理量如强子谱等计算的误差可小于百分之几。 中科院高能所　杜东生

19 ( ) ( ) (ⅱ) 弱、电统一理论 标准模型：SU(3)c  SU(2)  U(1) 大统一： 强、弱、电磁三种力统一起来
1967年，Glashow – Weinberg – Salam SU(2)U(1)　非阿贝尔规范场 统一电和弱作用 自然界有四种力： 强作用力（核力） s=　　 ≥ 1 电磁力 =　　 ~ 10-2 弱力 GF ~ 10-5 引力 GN ~ 10-39 c s u d t b ( ) e e     三代 ( ) 电磁力由光子(γ)传递 弱力由中间玻色子W± , Z0传递 标准模型：SU(3)c  SU(2)  U(1) 大统一：　强、弱、电磁三种力统一起来 中科院高能所　杜东生

20 低能区为三种不同的力，到极高能统一成一种力
(ⅲ) 大统一理论 强、弱、电三种作用力统一起来 低能区为三种不同的力，到极高能统一成一种力 1015 10 1 SU(2) SU(3) U(1) SU(5) 1/45 Q2 GeV 质子衰变 pe+ pi 中科院高能所　杜东生

21 ( iv) 超对称和超引力理论 一个玻色子，反之，每一个玻色子都有自己相应的费米子。因而超
超对称是指费米子和玻色子之间的对称。每一个费米子都对应 一个玻色子，反之，每一个玻色子都有自己相应的费米子。因而超 对称变换的生成元要包括可以改变自旋的算子。超对称理论是唯一可以把强、弱、电磁三种力的耦合常数交于一点的大统一理论，并 且可以解决质子衰变太快的问题。更重要的是，超对称可以保持质 量等级不受高阶修正的影响。超对称理论是很有希望的理论。 超引力是把已有的引力理论超对称化。经过多年的研究发现，要解决引力问题只能走向超玄和超膜理论。 中科院高能所　杜东生

22 (v) 超弦理论（膜理论） 四种力统一： 10维空间超弦 或11维空间超膜 自然界中的四种相互作用 电磁作用 重力 强作用 弱作用
　　　　　10维空间超弦 　　　　或11维空间超膜 自然界中的四种相互作用 电磁作用 重力 强作用 弱作用 中科院高能所　杜东生

23 (6) 如何研究物质微观结构 实验、理论相辅相成 ＊ 物理学本质上是 实验科学 实验研究：
＊ 物理学本质上是 实验科学 实验研究： 1.砲弹： 带电粒子 e , p ,重离子…（宇宙线）（加速器） 光子： ，Laser (激光) 中子： 核裂变 2.靶子：气体、固体、液体，e+ , e, p , , n … 3.探测器：雲雾室、气泡室、核乳膠、多丝室、量能器、 　　　　　切仑科夫记数器、闪烁记数器、顶点探测器、 　　　　　飞行时间计数器… p 中科院高能所　杜东生

24 Magnetized calorimeter employed by CDHS collaboration in study of neutrino interactions at the CERN SPS. It is instrumented with magnetized iron toroids, scintillation counters, and drift chambers, for the identification and momentum measurement of secondary muons, and to measure the nuclear cascade energy of secondary hadrons. Total mass is 1400 tons. 中科院高能所　杜东生

25 ＊ 对撞机上 对撞的粒子互为砲弹和靶子 高能所: e e对撞机（BEPC），1988年建成出束，
＊ 对撞机上 对撞的粒子互为砲弹和靶子 高能所: e e对撞机（BEPC），1988年建成出束， 投资2.8亿,2003年国家批准进行重大改造升级，投资 6.4亿，亮度提高100倍，预计2008年建成。 国 外: Fermilab p 对撞，CERN，LHC，pp对撞… 　　　 德国　HERA ep 对撞… p 中科院高能所　杜东生

26 ＊加速器：可按人的意愿行事 中国BEPC，国际上众多加速器 e , p , 有直线，也有环形 ＊宇宙线：靠天吃饭，不能人为控制有无 　　　　　　但有新发展：航天飞机、α磁谱仪、
宇宙飞船、卫星、 高空气球、西藏羊八井 阵列 中科院高能所　杜东生

27 大型快速计算机 实验研究： 4. 数据处理： internet(网络） 工作站 快电子学 图象判选 数 据 采 探 集 测 处 子弹 成果
　　　　 工作站 　　　　 快电子学 　　　　 图象判选 靶 探 测 器 数 据 采 集 处 理 子弹 成果 中科院高能所　杜东生

28 ＊对撞机上有点特殊 e BEPC、e e 在一个环内向相反方向转， 要突然加偏转磁场让两束对撞
对撞点 探测器 BEPC、e e 在一个环内向相反方向转， 要突然加偏转磁场让两束对撞 对撞点在探测器中央——即储存环管穿过探测器 e, e p – p p –p e – p 对撞后的碎片是一大堆粒子，这些碎片并不象原子核的碎片比原来的核小，而是碎片与原来一样大！ 重离子对撞情况例外，碎片比原来相撞的重离子小 CERN　ISR　SPS　加速重离子对撞 c–c , pb–pb… U.S RHIC　加速重离子，100 GeV/核子 已出实验成果 中科院高能所　杜东生

29 中科院高能所　杜东生

30 北京正负电子对撞机注入器正电子源

31 北京正负电子对撞机加速器储存环的一段

32 北京谱仪

33 邓小平同志为北京正负电子对撞机奠基

34 朱镕基参观北京正负电子对撞机

35 江泽民参观北京正负电子对撞机

36 (7) 为什么要研究物质微观结构 ＊ 物质微观结构的研究（原子，分子，核，质子，中子，基本粒子…）是各门学科的基础。
　 物理，化学，材料科学，生物，医学，农业… 都离不开物质微观研究的成果。 ＊ 历史的经验： 历史上物质结构研究的每一进展都有重大应用 高能物理也不例外。 中科院高能所　杜东生

37 (7) 为什么要研究物质微观结构(续) ＊引进和开发高新技术的最好基地
粒子物理是基础科学,具有不保密和广泛国际合作的特点,所以是引进高新技术的窗口,又是开发新技术的基地.如高真空技术,超低温和超导技术,自动控制技术,计算机技术和网络技术等等. 中科院高能所　杜东生

38 ? ⇣ 原子 原子核 基本粒子 夸克、轻子 前子 (Preon) 原子物理 原子核物理 高能物理 超高能物理 超超高能物理 固体物理 核电站
原子　　原子核　　基本粒子　　夸克、轻子　　前子 原子物理 原子核物理 高能物理 　超高能物理 超超高能物理 固体物理 核电站 （粒子物理） ⇣ 激光 原子弹 电视机 氢弹 副产品： 收音机 核医学 加速器 发电 核潜艇 同步辐射 质子照相 Internet 质子治癌 PET 硅条探测器 中科院高能所　杜东生

39 重大应用 原子物理: 新材料，激光（治病，手术，武器） 电视，收音机，发电站， 各种家用电器，通讯…大哥大，IC卡， 计算机…
原子物理: 新材料，激光（治病，手术，武器） 电视，收音机，发电站， 各种家用电器，通讯…大哥大，IC卡， 计算机… 原子核物理: 核电站，核医学，原子弹，氢弹， 农业（示踪原子），… 中科院高能所　杜东生

40 重大应用（续）  高能物理（粒子物理）： 副产品： 加速器（探伤，飞机螺旋浆叶片探伤， 海关检查，农业水果、菜保鲜）
　加速器（探伤，飞机螺旋浆叶片探伤， 海关检查，农业水果、菜保鲜） 　同步辐射（光刻，微型机械加工，光合作用，相衬成像 （phase contrast radiography）,SARS病毒结构照片，在 菠菜上中国科学家用高能所同步辐射发现了第三种蛋白膜， 世界领先，X-射线衍射成像等，在医学上有重大应用） 　质子照相（癌变早期发现） 　质子治癌（可聚焦在癌变处，质子停止时 杀伤力最大，可保护健康细胞） 硅条顶点探测器大大提高了CT精度，用于检测癌 中科院高能所　杜东生

41 重大应用（续） intenet, www互联网， 目前世界高能物理界正在合作建造超大容量、 超快速的数据传输国际互联网系统 GRID.
它输速度可达每秒100 Gbits, 即在一秒钟内 可以传输一张 CD盘的全部数据，七秒之输一张 DVD盘的全部数据。 比目前的宽带网快1000倍 到一万倍。 　PET（正电子断层照象）  超高能物理……“夸克弹”？ 中科院高能所　杜东生

42 (7) 为什么要研究物质微观结构 （续） ＊ 培养高水平的顶尖科学家的最好基地
两弹一星许多人是高能物理出身（23个元勋中有2个原子核理论，2个粒子物理理论，1个统计物理理论，一个固体理论，1个原子核实验，1个高能实验，共8人属于研究微观物质出身） 各大公司总裁、副总… 出身物理。 物理学家是搞开发研究的能手，物理毕业不好找工作是因为中国公司老板不懂行！ 中科院高能所　杜东生

43 (8) 前景 物质微观结构的研究探索 永远是物理学的前沿 是带动各学科发展的最重要的研究方向 中科院高能所　杜东生

44 (ⅰ) 依赖于加速器的高能物理（粒子物理）
¤ 高能： LHC　7TeV + 7TeV p-p 对撞机，换到固定靶相当于λp～ 1.3×10-21 cm， ILC(单束能量500GeV-1000GeV) ¤ 高亮度：B工厂和 supper-B工厂 主要目标：寻找 Higgs 粒子，研究真空自发破缺 粒子质量起源 　　　　　找超对称伴子，冷暗物质 超对称： 费米子⇔玻色子对称 　　　 　每个费米子都有相应的玻色子（超对称伴子） 反之亦然！ 　　　　 重的SUSY伴子可能是宇宙空间冷暗物质的候选者 宇宙空间　 暗物质约占 23%，主要是冷暗物质， 　　　　　 重子约占 4%，可见物质（星、尘）1% 　　　　　 另外 ∼ 73% 是暗能量（宇宙常数 ≠ 0, Higgs? Quitissence? Phantom? K-essnce等标量场理论?） 宇宙在加速膨胀，并且可能是平坦的。 中科院高能所　杜东生

45 Accelerating universe
Temperature today is uniformly K (Penzias and Wilson, 1965) Accelerating universe a complicated fluctuation ~ 10 -5 (COBE, WMAP) 中科院高能所　杜东生

46 What are these fluctuations ?
big spots are about across (~size of universe at decoupling) What are these fluctuations ? 中科院高能所　杜东生

47 寻找轻Higgs,top夸克物理，B物理，粲物理
¤ 宇宙加速膨胀的证据来自于对超新星爆发的观测。天文学家发现观测到的超新星爆发时光线的红移比用其距离推算的要大。这表明超新星加速地离我们远去，即宇宙在加速膨胀。 ¤ Tevatron,1TeV+1TeV p+ , 换到固定靶相当于 λp︿6.2×10-20 cm 寻找轻Higgs,top夸克物理，B物理，粲物理 ¤ BEPCII,亮度约为1033，2008年完成 主要研究粲物理、粲偶素物理、τ物理，寻找胶球和混杂态 p 中科院高能所　杜东生

48 ¤ 下一代加速器：电子直线对撞机 e−e−，e+e− TeV  储存环－ν 工厂 +− 对撞机 (研究Higgs)
¤ B 介子工厂： 3.1GeV e+ +9 GeV e- 对撞 U.S. SLAC 日本 KEK 3.5 GeV e+ + 8 GeV e- 对撞 研究 CP破坏起源，P 宇称（空间反演） 　　　　　　　　 C 正反粒子变换 　　　　　　　　 T 时间反演 P, C , T , 都已发现 CP　　 都已发现 CPT 不变性一直很好 ¤ 下一代加速器：电子直线对撞机 e−e−，e+e− TeV  储存环－ν 工厂 　　　　　　　 +− 对撞机 (研究Higgs) 中科院高能所　杜东生

49 (8) 前景 (续) (ⅱ) 非加速器物理 ¤ 中微子物理：日本超级神冈大气中微子实验发现νµ→ ντ振荡， 表明中微子有质量
¤ 太阳中微子失踪， →中微子振荡，也表明中微子有质量 ¤ 中微子质量的绝对测量， ¤ Neutrinoless double β decay ¤ 中微子振荡 CERN → Grand Sasso (730公里) FNAL → Soudan (720公里) KEK → Kamioka (250公里) KEK → Beijing，H2B (2100公里) KamLand νe 振荡，L～ 200公里 广东大亚湾反应堆 νe 振荡实验正在计划中, L~ 2公里。 ¤ 寻找暗物质及研究其性质 ¤ 寻找暗能量及研究其本质   中科院高能所　杜东生

50 自然界的奥秘是无穷无尽的！ 宇宙往大的方向延伸是无限的！ 宇宙观测已达到＞100亿光年的尺度 1光年＝光线走一年的距离
　 光年＝光线走一年的距离 　　　　 ≅ 1012公里  1013公里 　　　　 ＝ 十万亿公里 2004年美国科学家在距地球130 亿光年处发现一个星系， 约为银河系的2%大小 没有看到“边” 中科院高能所　杜东生

51 宇宙往小的方向延伸也是无限的！ 微观 实验中可看到千万万亿分之一厘米（10-19厘米） 也没寻到“头” 还可往小走 中科院高能所　杜东生

52 宇宙中的暗物质和 暗能量到底是什么，也需要粒子物理去解释。
从前面可以看出，宏观和微观世界的研究已经走到了一起。微观世界的研究成果很多已经用于研究宇宙早期的形成与发展过程，如为什么宇宙中只有物质而没有反物质，可以用CP破坏机制来解释。 宇宙中的暗物质和 暗能量到底是什么，也需要粒子物理去解释。 当今已出现了很多新兴交叉学科，如粒子天体物理，粒子宇宙学，中微子天体物理等等。现在再来看粒子物理的新定义“The Science of Matter, Energy, Space and Time”是非常准确的，反映了时代的特征。 中科院高能所　杜东生

53 悬而未解的是十大问题 要回答这些问题需要粒子物理学家和天体物理学家共同努力。我们仍有很长的路要走！
（1）是否存在未发现的自然规律，如新的对称性和新的 物理规律？ （2）是否存在额外维空间？ （3）能否把自然界所有的力统一为一种力？ ( 4 ) 为什麽存在如此多的种类不同的粒子？ ( 5 ) 为什麽夸克和轻子只有三代？粒子质量的起源是什麽? （6）什么是暗物质?如何在实验室中产生它？ （7）什么是暗能量？如何在实验室中产生它？ （8）中微子能给我们什么启示？它如此微小的质量及其在宇宙演化 中的作用实在是个迷。 （9) 宇宙是如何形成的？如果宇宙大爆炸理论是对的，那么大爆炸 之前是什么？ （10）为什麽今天宇宙中只有物质而没有反物质？ 要回答这些问题需要粒子物理学家和天体物理学家共同努力。我们仍有很长的路要走！ 中科院高能所　杜东生

54 中科院高能所　杜东生

55 谢谢大家！ 中科院高能所　杜东生