粒子物理发展史话

粒子物理发展史话郑志鹏中科院高能物理研究所2008.10粒子物理，又称高能物理，是研究物质组成最小单元－基本粒子的性质和其相互作用规律的一门学科。经过半个多世纪的努力，科学家们发现组成原子核的中子和质子不是基本的，物质是由夸克组成的。夸克与轻子组成基本粒子世界。一．夸克有几种二．轻子三．弱作用和电磁作用的统一以及W±，Z0的发现四．宇称是否守恒五．量子色动力学（QCD）六．第一个反粒子－正电子的发现七．粒子物理面临的问题八．结束语提纲一夸克有几种？1.60年代初，人们对强子排队时，发现有某些规律，可排成“八重态”，“十重态”。Gellmann用三种夸克可很好解释这种排列，以后事实证明他是正确的。他获得了1969年诺贝尔物理学奖。一夸克有几种？2.1974年，丁肇中和Richter发现了J/ψ粒子，这是第四种夸克发现的证据。为此，他们获得了1976年诺贝尔物理奖。3.1977年，1995年，分别发现了第五种和第六种夸克。迄今为止，夸克共有六种。一夸克有几种？4.实验上夸克存在的证据20世纪70年代，J.I.Friedman,H.W.Kendall和R.E.Taylor三人在电子与质子深度非弹实验发现质子内部有“硬心”，他们获1990年诺贝尔物理奖。一夸克有几种？二轻子1.电子1897年，J.J.Thomson发现由电子组成“阴极射线”，他测量了电子的荷－质比，获得了1906年的诺贝尔物理奖。μ1936年尼德尔迈耶在云室中发现τM.L.Perl在美国MarkII上发现了τ轻子。1995年获得诺贝尔物理奖。美籍华人蔡永赐在预言τ轻子存在，计算其衰变分支比方面做出了突出贡献。轻子总共只有三种。二轻子2.中微子1930年，在解释“原子核的β衰变的电子能量谱是连续的”这一事实时，物理学家泡利提出一假设：存在一个不带电的粒子，称为中微子。但由于它与物质发生相互作用的可能性很小，因而极不容易探测，长期以来对它的存在始终是一个谜。数十年后，人们终于探测到它，并且发现中微子有不同的类型（以上都获得诺贝尔物理奖）。二轻子F.Reines在50年代通过反应找到中微子存在的证据，获得1995年诺贝尔物理奖nep二轻子60年代，L.M.Lederman，M.Schwartz和J.Steinberger通过实验证明：中微子至少有两种：νe和νμ他们共享了1988年诺贝尔物理奖二轻子本世纪初，美国费米实验室找到第三种中微子ντ存在的证据。雷蒙德·戴维斯（美）和小柴昌俊（日）因为分别探测来自太阳的中微子和来自大气、超新星爆发的中微子获得2002年诺贝尔物理奖。二轻子中国物理学家王淦昌早在40年代提出用核反冲法测量中微子的方法。三种中微子可以互相转变，即中微子有振荡，因此导致中微子有质量（虽然很小）。二轻子三代夸克三代轻子三.弱作用和电磁作用的统一以及W±，Z0的发现1.四种基本力引力：牛顿受苹果落地的启示而发现万有引力。电磁力：指南针在地磁作用下的偏移。弱力：中子及其它粒子衰变过程中出现。强力：夸克之间的作用力。2.四种基本力之间的关系这四种力之间可能是相互关联的。目前实验发现弱力和电磁力是统一的。有迹象表明，弱、电磁和强力是统一的。三.弱作用和电磁作用的统一以及W±，Z0的发现力的类型引力弱力电磁力强力作用距离非常远10－17厘米远10－13厘米强度10－3810－1310－21传递粒子引力子W±、Z0光子胶子三.弱作用和电磁作用的统一以及W±，Z0的发现3.弱作用和电磁作用是统一的，理论上做出贡献的S.L.Glashow，S.Weinberg和A.Salam获1979年诺贝尔物理奖4.弱电统一理论预言存在W±，Z0中间玻色子。CERN的C.Rubbia和VanDerMeer因发现W±和Z0而获1984年诺贝尔物理奖。三弱作用和电磁作用的统一以及W±，Z0的发现四宇称是否守恒？1.李政道，杨振宁1956年在解释θ-τ是否同一粒子时提出宇称（左右不同对称性）不守恒，后被吴健雄的β衰变左右不对称所证实。李、杨获1957年诺贝尔物理奖。2.J.W.Cronin和V.L.Fitch在60年代发现中性K介子CP（正、反粒子和空间联合反演）不守恒，获1980年诺贝尔物理奖。四宇称是否守恒？3.日本Belle和美国BaBar2001发现中性B介子也存在CP不守恒。四宇称是否守恒？10.079.0)(2sin1世界平均值:五量子色动力学（QCD）Cross等于70年代提出描述强作用的理论QCD，被实验证实，获2004年诺贝尔物理奖。六第一个反粒子－正电子的发现1932年，C.D.Anderson在云室中发现与电子质量相同但电荷相反的粒子－正电子而获1936年诺贝尔物理奖。很遗憾，我国物理学家赵忠尧却失之交臂。赵在30年代初首次观察到正电子湮没和产生现象，并对Anderson的实验有重大影响。1.Higgs是否存在？(期待LHC证实)2.超对称粒子（*注）是否存在？3.胶子球存在的证据，四夸克态、五夸克态、六夸克态和奇特态的寻找。4.暗物质的探测（可观察物质仅占4％，23％为暗物质）5.暗能量（占73％）的理解和寻找6.反物质的寻找（AMS）7.CP破坏的本质是什么？8.粒子为什么有质量？（从1eV到176GeV）*注：超对称粒子是指夸克、轻子自旋为整数，传播子自旋为半整数。七粒子物理面临的问题七粒子物理面临的问题9.夸克、轻子是基本组元吗？10.夸克、轻子只有三代吗？11.中微子振荡的存在说明中微子有质量，在标准模型框架中不能解释。12.夸克、胶子等离子体是否存在？（期待RHIC上发现）13.为什么宇宙中物质—反物质是不对称的？14.弦与超对称理论的发展和被实验的证实15.是否存在标准模型之外的模型？（标准模型远不能说完备，它有17个参数之多）结束语半个多世纪以来，粒子物理取得了举世瞩目的进展。这是数以万计的科学家，工程师共同奋斗的结果。这其中一些人在粒子物理发展的关键时刻起了举足轻重的作用。他们中许多人获得了诺贝尔奖；也有一些没有获得这样的殊荣，但是历史应该记住他们！只有在科学道路上攀登，不畏艰险，勇于创新的人才能抵达科学的高峰，只有这些人才能留下历史，成为所有科技工作者学习的榜样。