粒子物理学

粒子物理学基础王淦昌先生李文铸先生汪容先生王凎昌先生和汪容先生粒子物理学物质的基本组成物质间的基本相互作用物质运动的基本规律二十世纪的主要成就相对论与时空观念狭义相对论,高速运动粒子广义相对论,引力理论，宇宙学量子力学波粒二象性,微观粒子量子场论描述物理世界的基本语言标准模型物质的基本组成和基本相互作用基本相互作用引力相互作用电磁相互作用强相互作用强大的核力维持原子核的稳定性弱相互作用导致基本粒子的不稳定,引起衰变对称性决定相互作用电磁相互作用：U(1)规范对称性弱电相互作用：SU(2)U(1)规范对称性强相互作用：SU(3)规范对称性引力相互作用：局域Lorentz对称性规范粒子质量:对称性自发破缺费米子质量:Yukawa耦合一种参数化,新的物理牛顿力学时间，空间点粒子：位置，速度，加速度牛顿定律惯性作用与反作用Fma122mmFkr一个伟大的发现：ttzzyyvtxx''''相对性原理与Galilean变换电动力学电磁现象00000BEtEuJuBtBE麦克斯韦方程洛伦兹力eFeEvBc222221'''1'cvxcvttzzyycvvtxx相对性原理,洛伦兹变换电磁波光子:质量为零,速度为c2222222222222222221010EEEEctxyzBBBBctxyz狭义相对论相对性原理光速不变Lorentz变换与原时:时空对称性222ddtdxdxdx相对论动力学22''dxfmddxfff02dpfddxpmcdpEmc量子力学波粒二象性态的线性叠加原理互补性原理测不准原理量子力学基本原理StatesofthesystemRelationofcommutationHermitianoperatorsSchrodingerequationPrincipleofidentityPrincipleofmeasurementSchrodinger方程Heisenberg矩阵力学),(]2[),(22trVmtrti],[HFFti氢原子22422neZE)23(nEn谐振子相对论量子力学Klein-Gordon方程电磁相互作用负能量,负几率,精细结构不正确2222221(,)0mxtctx222021(,)0ieAieAmxtctxDirac方程010mciict电磁相互作用0010mciieAiieAct正几率,电子的自旋,精细结构正确Klein佯谬,负能量反粒子,相对论的预言高能微观系统的多粒子特性量子场论的必然基本相互作用原子核内，质子与质子之间有很强的库仑排斥力，那么是如何维持原子核的稳定性的呢？要维持原子核的稳定性，核子间必定存在相互吸引的强大的核力：强作用力作用范围要小，导致原子结构的不稳定引起原子核衰变，有轻子参与的相互作用──弱作用力四种基本相互作用力对象强度范围交换粒子电磁力带电粒子间10-2∞γ(光子)引力万物10-40∞G(引力子)强力强子110-15米g(胶子)弱力有轻子参与10-510-18米w±,z0非直接、即时相互作用量子场论描述物理世界的基本语言量子力学狭义相对论量子电动力学TomonagaSchwingerR.FeynmanDyson电子与光子构成简单系统1()4LiieAmFF*1()()4LieAieAmFF介子与光子构成简单系统规范对称性与电磁相互作用ieieee()()()():():iexiexiexeeiexDefineDieAAAxThenDeDFeynman规则4244442244444244(2)(2)(2)(2)()()(2)()2(2)()gdkPhotonikiidkFermionkmiidkBosonkmiVerticesippkVerticesieppppkiegppkkLamb效应212P212SMHzEEExptMHzeVEETheoPSPS)9(845.1057:85.105721035152.4:2121212122522电子反常磁矩13-13-12-13-413-313-213-SMe13-expe13-expe1011.5:ErrorlTheoretica100.5kLoopsElectrowealoops)kelectrowea&(hadronic101.66(3)+)10-439.5()1.5098(384-)10148041.1(=71.18123401+)1017723022.3-(=4000.32847844-)106.81161409728(=2=a:2000)351,RMP72,rTaylor,Theory(Moh109(43)1159652187=a104(43)1159652188a987PRL59,26,1Dyck,Experiment-Compton散射244332440303,2(2)()11(,)(,)11(2)()242(2)2(2)11(,)(ifcfiffiifffiifiiiiifffffiifiiiffifffiifiiiifSiekpkpupuppkmpkmdkdpdkpkppkkpeupuppkmpkm2222,)424iffifiiifkkkddmkkk强相互作用与夸克（Quark）模型Gell-mannGrossWilczek世界到底由什么构成？中国古代有元气说，和阴阳五行说在古希腊有原子说即由一种不能再分的最小基本单元“原子”构成亚里士多德却认为物质是连续的。正如中国《庄子、天下篇》所言“一尺之棰，日取其半，万世不竭”19世纪未的三大发现1895年伦琴（W.C.Röntgen）发现X射线1896年贝克勒尔(H.Becquerel)发现放射性1897年汤姆逊(J.J.Thomson)发现电子他们三人也因此分别获得了1901年、1903年和1906年的诺贝尔物理学奖。电子的发现对物理学的影响非常深远物理学对象从宏观转入到了微观领域原子的有核结构1911年汤姆逊的学生卢瑟福确立了原子的有核结构1913年卢瑟福的学生丹麦物理学家玻尔建立了量子的原子结构模型1919提出了原子核内存在中子的设想1932年查德威克确认了中子n的存在物质的层次结构基本粒子的性质质子和中子的大小约为1个费米质子的质量为938.3MeV，中子为939.6MeV,电子为0.511MeV质子和中子称为重子,电子称为轻子质子的寿命长于亿亿亿亿年,自由中子的寿命却只有877秒，中子会衰变成质子、电子和一个新粒子——反中微子.这是否预示着质子、中子内部还有结构？众多的新粒子1931年狄拉克预言：存在着反电子1932年安德逊发现了正电子，并因此获得了1936年的诺贝尔物理学奖ee2•1931年泡利预言中存在微子，不带电，质量为零•1935年汤川秀树预言π介子的存在，1947年鲍威尔发现π介子更多的粒子被发现介子：J=0，π±，π0，ρ，k±，k0重子:J=1/2，p，n，Σ±，Σ0，Ξ±，Ξ0，Λ且每种粒子都有反粒子，总数达数百种。然而混乱中存在秩序，类似于元素周期表，上述粒子也满足一定的规律，表明粒子内部还有结构夸克（Quark）模型轻子(电荷)夸克(电荷)vee01)()(downdupu3/13/2第一代uv01)()(charmcstranges3/23/101)()(toptbottomb3/23/1第二代第三代强子态深度非弹性散射量子色动力学（QCD）渐近自由与夸克禁闭强子质量谱弱电统一理论GlashowS.WeinbergSalamT’HooftVeltman1896年贝克勒尔(H.Becquerel)发现放射性1931年Pauli提出中微子1933年Fermi理论1956年宇称不守恒（Lee－Yang－Wu)1958年V－A理论1963年Cabibbo理论1967年Weinberg理论1971年’tHooft－Veltman证明1972年GIM机制弱相互作用与粒子的衰变二十一世纪Higgs粒子,弱电对称性破缺,费米子质量强、弱、电三种相互作用的统一超对称理论和超引力理论量子引力理论超弦理论EndoftheFifthLecture