粒子物理(I)粒子物理(I) 中国科学院高能物理研究所中国科学院高能物理研究所 理论物理研究室理论物理研究室 陈莹陈莹 ：：88234180 Email: cheny@ 中国科学院研究生院研究生课程中国科学院研究生院研究生课程 课程介绍 • 课程内容：课程内容： 主要讲解物质是由什么构成的，构成物质的最小单元 是如何相互作用如何相互转化的，同时还涉及宇宙是如何 形成和演化的 • 教学目标：教学目标： 通过本课程的学习，希望学生理解粒子物理的标准模 型，即按目前的认识水平，构成物质的最小单元是夸克和 轻子，自然界存在强相互作用，电磁相互作用，弱相互作 用和引力相互作用，此外还要跟踪粒子物理实验的最新进 展通过本课程的学习使学生为进一步从事粒子物理的研 究打下坚实的基础 • 课程要求：课程要求： 电动力学、量子力学、狭义相对论基础 内容设置内容设置 第一章引言第一章引言 粒子物理是一门什么样的学科？粒子物理是一门什么样的学科？ 为什么研究粒子物理？为什么研究粒子物理？ 粒子物理学的历史粒子物理学的历史 自然界的四中基本相互作用自然界的四中基本相互作用 粒子的分类粒子的分类 第二章粒子的运动学性质和粒子物理实验第二章粒子的运动学性质和粒子物理实验 运动性质：粒子的质量、寿命、电荷、自旋、磁矩等；运动性质：粒子的质量、寿命、电荷、自旋、磁矩等； 运动描述：能量和动量、实验室系和质心系、运动描述：能量和动量、实验室系和质心系、 运动学不变量、Dalitz图等。
运动学不变量、Dalitz图等 n体相空间：n体相空间： 第三章对称性和守恒定律第三章对称性和守恒定律 连续对称性——连续对称性——Neother定理Neother定理 自旋和轨道角动量同位旋概念的引入自旋和轨道角动量同位旋概念的引入 相加性量子数：相加性量子数：奇异数、重子数、粲数、底数奇异数、重子数、粲数、底数 离散对称性——相乘性量子数：离散对称性——相乘性量子数： 正反粒子共轭变换（C）、G变换、空间反射变换（P）正反粒子共轭变换（C）、G变换、空间反射变换（P） CP变换（CP）——中性K介子系统、全同粒子交换变换CP变换（CP）——中性K介子系统、全同粒子交换变换 第四章强相互作用和强子性质第四章强相互作用和强子性质 夸克模型: 组成物质的基本单元——夸克夸克模型: 组成物质的基本单元——夸克 介子: 正反粒子组成的系统（正反费米子和正反玻色子系统）介子: 正反粒子组成的系统（正反费米子和正反玻色子系统） 重子: 十重态, 八重态重子: 十重态, 八重态 重夸克和重夸克偶素重夸克和重夸克偶素 深度非弹性碰撞和部分子模型深度非弹性碰撞和部分子模型 强相互作用的描述——量子色动力学（强相互作用的描述——量子色动力学（色禁闭和渐近自由色禁闭和渐近自由）） 相对论重离子碰撞和夸克胶子等离子体相对论重离子碰撞和夸克胶子等离子体 第五章电弱统一理论——“标准模型”(Standard Model)第五章电弱统一理论——“标准模型”(Standard Model) 弱相互作用beta衰变弱相互作用beta衰变 三代轻子：轻子的普适性，轻子数守恒三代轻子：轻子的普适性，轻子数守恒 V-A理论V-A理论 标准模型——电弱统一理论+Higgs机制（质量来源）标准模型——电弱统一理论+Higgs机制（质量来源） 1. 章乃森, 《粒子物理学》, 科学出版社, 北京, 1985。
1. 章乃森, 《粒子物理学》, 科学出版社, 北京, 1985 2. 唐孝威等, 《正负电子物理》, 科学出版社, 北京, 19952. 唐孝威等, 《正负电子物理》, 科学出版社, 北京, 1995 3. 高崇寿，曾谨严，《粒子物理和核物理讲座》，高等教育出版社，3. 高崇寿，曾谨严，《粒子物理和核物理讲座》，高等教育出版社， 北京，1994北京，1994 4. D.H. Perkins, 4. D.H. Perkins, Introduction to High Energy PhysicsIntroduction to High Energy Physics, Addison-, Addison- Wesley Publishing Company Inc, 1972，1982，1987，2000.Wesley Publishing Company Inc, 1972，1982，1987，2000. 5. 高崇寿, 《群论机及其在粒子物理学中的应用》，高等教育出版社， 北京，1992 5. 高崇寿, 《群论机及其在粒子物理学中的应用》，高等教育出版社， 北京，1992 主要参考书主要参考书 第一章引言第一章引言 粒子物理是一门什么样的学科？粒子物理是一门什么样的学科？ 为什么研究粒子物理？为什么研究粒子物理？ 粒子物理学的历史粒子物理学的历史 自然界的四中基本相互作用自然界的四中基本相互作用 粒子的分类粒子的分类 •1895年, W.K. Reontgen发现1895年, W.K. Reontgen发现X射线(光子),X射线(光子),因此荣获1901年诺贝尔物理学奖。
A.H. Becquerel, P. Curie和M. Curie发现了放射性，共享了1903年的诺贝尔物理学奖 因此荣获1901年诺贝尔物理学奖A.H. Becquerel, P. Curie和M. Curie发现了放射性，共享了1903年的诺贝尔物理学奖 •1898年，J.J.Thomson证实了1898年，J.J.Thomson证实了电子电子的存在，由于对气体导电理论的贡献和实验研究 的成果，他荣获了1906年的诺贝尔物理学奖 的存在，由于对气体导电理论的贡献和实验研究 的成果，他荣获了1906年的诺贝尔物理学奖 •1905年， A. Einstein提出的光电效应使得1905年， A. Einstein提出的光电效应使得光的光的“粒子粒子”性性——光子的概念光子的概念被人们 接受，他因此获得了1921年的诺贝尔物理学奖 被人们 接受，他因此获得了1921年的诺贝尔物理学奖 •1911年，E. Rutherford根据被金属箔散射的实验现象提出原子的核式结构， 并因此获得诺贝尔物理学奖 1911年，E. Rutherford根据被金属箔散射的实验现象提出原子的核式结构， 并因此获得诺贝尔物理学奖 •1913年，N. Bohr建立了原子的1913年，N. Bohr建立了原子的量子理论量子理论，因此获得1922年的诺贝尔物理学奖。
因此获得1922年的诺贝尔物理学奖 •1930年，W. Pauli根据原子核衰变的实验提出了1930年，W. Pauli根据原子核衰变的实验提出了中微子的假设中微子的假设，并由于他提出 的泡利不相容原理荣获1945年诺贝尔物理学奖 ，并由于他提出 的泡利不相容原理荣获1945年诺贝尔物理学奖 •1932年，J. Chadwick证实了1932年，J. Chadwick证实了中子中子的存在，因此获得1935年诺贝尔物理学奖同年 C.D. Anderson在云雾室中发现了 的存在，因此获得1935年诺贝尔物理学奖同年 C.D. Anderson在云雾室中发现了正电子正电子，由此获得1936年诺贝尔物理学奖，由此获得1936年诺贝尔物理学奖 •在此阶段，基本粒子包括在此阶段，基本粒子包括光子、正负电子、质子、中子和假设的中微子光子、正负电子、质子、中子和假设的中微子 α β 第一节 历史回顾第一节 历史回顾 (一一):粒子物理的萌芽粒子物理的萌芽(1895-1932) •1930年，E.O. Lawrence提出带电粒子加速的新原理1930年，E.O. Lawrence提出带电粒子加速的新原理——回旋加速器回旋加速器（Cyclotron)。
他因此获得1939年的诺贝尔物理学奖 （Cyclotron) 他因此获得1939年的诺贝尔物理学奖 •1935年，Yukawa提出核作用力的唯象理论1935年，Yukawa提出核作用力的唯象理论——核力的介子理论核力的介子理论他因此获得1949年 的诺贝尔物理学奖他因此获得1949年 的诺贝尔物理学奖 •1936年， C.D. Anderson用云雾室发现了宇宙线中的1936年， C.D. Anderson用云雾室发现了宇宙线中的muon子muon子 •1938年，E. Fermi因研究中子引起的各种反应的贡献获得1938年的诺贝尔物理学奖1938年，E. Fermi因研究中子引起的各种反应的贡献获得1938年的诺贝尔物理学奖 •1943年，O. Stern因发展分子束方法的贡献和发现1943年，O. Stern因发展分子束方法的贡献和发现质子的反常磁矩质子的反常磁矩而获得1943年的 诺贝尔物理学奖 而获得1943年的 诺贝尔物理学奖 •1947年，C.F. Powell利用乳胶照相法在宇宙线中发现的1947年，C.F. Powell利用乳胶照相法在宇宙线中发现的pionpion，并因此获得1950年的 诺贝尔物理学奖。
，并因此获得1950年的 诺贝尔物理学奖 •1948年，美国的劳伦斯-伯克利实验室利用同步回旋加速器(Synchro-Cyclotron)1948年，美国的劳伦斯-伯克利实验室利用同步回旋加速器(Synchro-Cyclotron)人 工产生了pion介子 人 工产生了pion介子 •1953年，F. Reines等探测到1953年，F. Reines等探测到中微子的存在中微子的存在同年，BNL新的加速器同年，BNL新的加速器“CosmotronCosmotron”投入 运行，证实了1947年在云室中发现的V形衰变的径迹是一种新的 投入 运行，证实了1947年在云室中发现的V形衰变的径迹是一种新的“奇异奇异”粒子粒子的产物 Gell-Mann和Nishijima给这类粒子指定了一个新的量子数 的产物 Gell-Mann和Nishijima给这类粒子指定了一个新的量子数“奇异数奇异数” •1955年，W.E. Lamb和P. Kusch因在案947年实验发现1955年，W.E. Lamb和P. Kusch因在案947年实验发现氢光谱的精细结构位移氢光谱的精细结构位移（Lamb Shift)和 （Lamb Shift)和电子磁矩的精密测量电子磁矩的精密测量获得本年度的诺贝尔物理学奖。
同年，E.G. Segre和O. Chamberlain 在Berkerley的Bevatron上发现了 获得本年度的诺贝尔物理学奖同年，E.G. Segre和O. Chamberlain 在Berkerley的Bevatron上发现了反质子的反质子的存在，从而分享了1959年的 诺贝尔物理学奖 存在，从而分享了1959年的 诺贝尔物理学奖 •1957年，杨振宁和李政道发现宇称不守恒，并因此分享了1957年的诺贝尔物理学奖1957年，杨振宁和李政道发现宇称不守恒，并因此分享了1957年的诺贝尔物理学奖 •1960年，新的探测技术1960年，新的探测技术——汽泡室汽泡室在新粒子发现中的重大作用，发明者D.A. Glaser 获1960年的诺贝尔物理学奖 在新粒子发现中的重大作用，发明者D.A. Glaser 获1960年的诺贝尔物理学奖 (二二):粒子物理的发展粒子物理的发展(1932-1964) •1964年，M. Gell-mann等人提出强子结构的1964年，M. Gell-mann等人提出强子结构的夸克模型夸克模型Gell-mann获1969年的 诺贝尔物理学奖同年，S.L. Glashow，S. Weinberg和A. Salam从规范理论 出发建立的 。
Gell-mann获1969年的 诺贝尔物理学奖同年，S.L. Glashow，S. Weinberg和A. Salam从规范理论 出发建立的弱电统一理论弱电统一理论——标准模型标准模型，从而分享了。